“天宫课堂”又开课，九霄逐梦再问天

刘玉柱 金鑫

2023年9月21日15时45分，“天宫课堂”第四课准时开讲。本次太空授课活动继续采取天地互动的方式进行。景海鹏、朱杨柱、桂海潮3位航天员老师演示了球形火焰实验、奇妙“乒乓球”实验、动量守恒实验以及又见陀螺实验，并与地面课堂进行了互动交流。就让我们一起走进这全新的太空教室——梦天实验舱，探寻第四课中的奥妙所在吧！

浮力对流的奥秘——球形火焰实验

不知道大家是否观察过，在地面上，无论在哪里竖直点火，火焰都会呈现一个“底部宽、顶部尖”的锥形。如果在空间站的微重力环境中点火，火焰的形状还会与地面上的一样吗？

球形火焰实验就可以解决我们心中的疑惑。桂海潮老师在空间站中点燃蜡烛，与地面老师点燃的蜡烛形成对照。我们可以很明显地看到，空间站中蜡烛的火焰近似球形，而在地面上，竖直状态下蜡烛的火焰呈锥形。为什么会有这样的差别呢？

在地面上，火焰燃烧时，火焰周围的空气会因受热膨胀而向上运动，外围的冷空气则向下运动，从而形成浮力对流。火焰周围的热空气在上升流动的过程中，会慢慢地在火焰的顶端汇聚，从而形成火焰的“尖端”。但是，在空间站中，由于微重力的影响，这种浮力对流大大减弱，燃烧后的气体不会全部向上运动，而是向着各个方向运动，火焰旁的浮力对流会非常弱，导致空气流动汇聚的量很少。所以，在空间站进行火焰实验时，我们看到的火焰更接近于球形，而不是地面上的锥形。

此外，同学们可能还发现了，与地面上的火焰相比，空间站中的火焰颜色更偏蓝色。要知道，只有在燃烧温度低时，火焰才会偏蓝色；而在燃烧温度高时，火焰会偏黄色。这一现象的原因也是我们上文提到的空间站中浮力对流十分微弱，所以火焰周圍参与燃烧的氧气少，蜡烛的燃烧不充分，火焰燃烧温度也会更低一些，火焰就偏蓝色了。

太空之中秀球技——奇妙“乒乓球”实验

水是我们日常生活中最简便的实验对象之一，同样也是“天宫课堂”里的“常驻嘉宾”，这次上课自然也少不了与水相关的实验。联系之前所学的知识，我们知道水在空间站中都是以球状的形式出现的，这里的“乒乓球”实际上就是水球。

在空间站中，如何能像打乒乓球一样打水球呢？

桂海潮老师首先尝试用普通的乒乓球拍去击打水球，然而，水球直接沾在了球拍的表面，并没有像乒乓球一样弹开。这时，朱杨柱老师过来了，他手里拿着一个白色的球拍。这个球拍有什么特殊之处呢？奥妙就在于球拍表面包裹了大家运动时擦汗用的干毛巾。大家可能会觉得，水球肯定会被毛巾吸收呀，何谈“打乒乓球”呢？但是，神奇的一幕出现了，水球在碰到干毛巾包裹的球拍时，既没有被毛巾吸收，也没有沾在毛巾表面，而是像乒乓球一样弹开了！就这样，两位老师你来我往地打起了“水球版”乒乓球赛。

那么，问题来了，为什么用来擦汗的干毛巾并不吸水，甚至能将水球弹开，而普通的乒乓球拍就不行呢？这是因为除了表面张力使水球不容易破裂，毛巾的表面还布满了疏水的微绒毛，这些微绒毛形成了微纳结构，有很好的疏水性能，水分子在接触时并不会被吸收，而会被疏水的微纳结构抵制在外。

问题又来了，干毛巾表面既然有疏水性，为什么又可以吸汗、吸水呢？这是因为大家在擦汗或吸水时进行了挤压，将水压到了微绒毛下面的纤维缝隙之中，水就被里面的纤维吸收了。

钢球碰撞引出大道理——动量守恒实验

同学们有没有听过动量守恒这个物理学定律呢？它主要是描述物体的质量和速度如何影响其运动的一个定律。在我们的生活中，动量守恒定律也有很多体现，例如汽车的安全气囊和碰撞缓冲装置等。在地面上，老师为了演示动量守恒定律，往往需要借助气垫导轨等辅助工具，来尽量减少重力等因素的影响。在空间站的微重力环境中，我们则可以用更简单、更直接的方法来演示动量守恒定律。

桂海潮老师先准备了一块1米见方的标准网格布，上面布满了相同大小的方格，这可以用来衡量钢球的运动轨迹是不是一条直线。接着，桂老师拿出一个500克的钢球，把它放到网格布前方。然后，桂老师又拿出一个一模一样的钢球，准备抛出去水平碰撞静止的球，以此验证动量守恒定律。

在两个球碰撞之后，运动的球静止了，而原本静止的球开始运动，两球之间产生了速度交换，完全符合地面上的实验规律。

接下来，两位老师又分别演示了100克小钢球水平撞向500克大钢球以及500克大钢球水平撞向100克小钢球。最后出现的实验现象都与地面上的碰撞现象相同，并且都满足动量守恒定律。因此，我们可以发现：动量是物体本身的一种属性，与所处环境无关；物体的动量并不会因为处于微重力环境中就发生改变。

四两拨千斤——又见陀螺实验

相信大家都对之前王亚平老师演示的陀螺定轴性实验、叶光富老师的太空转身实验以及陈冬老师手上“会掉头”的扳手印象深刻。这3个实验，均涉及一个相同的知识点——角动量守恒。这次的又见陀螺实验，也与角动量守恒密切相关。

桂海潮老师准备了一个陀螺来做转身实验，实验包含两个部分，可以相互对照。首先是第一个部分，陀螺静止、没有转起来时，桂老师握住陀螺的两侧，在改变陀螺方向的过程中，我们可以看到他的身体姿态并没有发生明显改变；接下来的第二个部分中，陀螺开始自转，这时桂老师握住陀螺并且改变陀螺的左、右方向，结果他也相对应地发生了转身。这背后的原理是什么呢？

我们知道，力矩是物体角动量发生改变的原因。在第一个演示中，陀螺静止，没有转动，它的角动量为零，所以在改变它的方向时，它的角动量和桂老师自身的角动量基本不变。而在第二个演示中，陀螺快速自转，具有了比较大的角动量，这时桂老师改变陀螺的方向，陀螺的角动量就发生了显著变化，相应地，陀螺对桂老师的手就产生了比较大的反作用力矩。这个力矩让桂老师自身的角动量发生了改变，从而使他实现了转身。

同学们，你们知道本次的开课时间为什么选在9月21日吗？这背后其实意味深长。选在这一天，是为了纪念中国载人航天工程在1992年9月21日正式立项，它是我国空间科学实验的重大战略工程之一，也是我国航天史上的里程碑！

此外，这次主讲的两位“新面孔”老师其实并不是专职航天员出身。朱杨柱老师是中国空间站首位航天飞行工程师；桂海潮老师是中国空间站首位载荷专家，他也是首位戴眼镜执行飞行任务的航天员。

看到这儿，很多同学是不是也心动啦？没错！这正表明了往后会有更多领域的人才拥有上天追梦的机会，去探索浩瀚宇宙，去追逐科学真理。但是，请同学们记住，要想去太空“做客”，提升自己的知识水平和身体素质，一项都不能少哦！