复习了！“天宫课堂”第二课里的科学奥秘

2022-03-25 14:53:00 来源：科普中国

热的“冰球”、用水搭“桥”、“冰墩墩”直线游走…“天宫课堂”第二课为我们展示了多个地面上“不可能”的太空实验，来看背后知识点和科学原理。

整理/新媒体编辑房永珍

“太空探索永无止境。各位同学，大家好！”3月23日下午，伴随着太空教师王亚平熟悉的声音，“天宫课堂”第二课开讲。神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，又给大家带来了一堂精彩的太空科普课。

（图片来源：视频画面截图）

在科学实验环节，温热“冰球”、液体“水桥”、水油混合、直线抛物，依次精彩上演，要知道这些景象在地面上是很难实现的。下面，我们就一起探究其中的奥秘。

水球变“冰球”，实际是热球

【精彩一幕】王亚平从液体袋中挤出一颗透明水球，但经过小棍的触碰瞬间产生大量的白色晶体，很快变成了一颗“冰球”。王亚平介绍，这颗长得像冰球的水球，其实是热球。

▲乙酸钠溶液水球瞬间“结冰”（图片来源：视频画面截图）

【知识点】液体结晶

【原理解读】挤出的“水珠”为何是球形？“这是微重力环境下液体的表面张力作用，使得挤出的液体形成了饱满均匀的液体球。”王亚平揭示了奥秘。

那结晶又是怎么回事呢？原来王亚平老师使用的“水”并非普通的水，而是过饱和乙酸钠溶液。乙酸钠溶液在温度较高的水中溶解度非常大，很容易形成过饱和溶液。只要有一丁点儿结晶和颗粒（三水合乙酸钠晶体粉末），就能迅速打破它的稳定态，析出大量晶体，同时还会释放出大量的热量。

中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张璐接受媒体采访时介绍，这个实验的“玄机”就在于小棍上沾有晶体粉末，为过饱和乙酸钠溶液提供了凝结核，进而析出三水合乙酸钠晶体。由于过饱和乙酸钠溶液形核、结晶的过程，过程当中会释放热量。所以，它是一个“热球”。

▲3月23日，北京市第十八中学科技展览室内，同学们正与做实验。由于地面上受重力影响，液体从杯子底部开始往上结晶。（来源：澎湃新闻）

【小原理大作用】专家介绍，容器对材料的生长影响很大，因为在材料生长的过程中，容器的形状、表面的结晶度、表面的粗糙度，对晶格结构、缺陷、纯度等都有很大影响。在微重力环境中，晶体并不受容器的限制，可以悬浮在半空向四面八方“自由生长”。而在地面上进行结晶实验时，晶体的样子可能因容器形状不同有很大差异。

这个实验与中国空间站里的无容器材料实验柜相呼应。无容器材料实验柜堪称是研究材料的“大国重器”，目前主要有两个用途：一是实现材料在无容器状态下从熔融到冷却凝固的过程，供科研人员收集物性参数进行研究；二是用于特殊材料在轨生长，缩短新材料从实验室走向流水线、走进大众视野的时间。特别是一些多元的合金，由于它的浓度不一样，在地面上做的时候会分层。而在空间站做的时候，在微重力环境下，地面上的影响没有了，如果再把容器的影响去掉的话，它就有可能长出纯度更高，结晶度更高，结晶更好的材料。实验成果可在高温单晶合金（航空发动机和燃气轮机叶片）、核电站高温材料、新型铁基超导材料、新型红外遥感探测材料、医学探测器材料等领域获得应用。

利用液体搭出的“水桥”

【精彩一幕】王亚平手里拿着两块透明的液桥板，叶光富拿着装有饮用水的袋子向两块液桥板分别挤上一个水球。两个水球在刚开始相碰的时候不会相溶，让它们靠近再拉开后，在表面张力的作用下，水将两个液桥板连接在了一起，形成了一座“水桥”。液桥板分开，一座中间细、两头粗的“桥”将两块板相连；王亚平再将液桥板拉远，液桥变得更细、更长，仍然没有断开。

▲水球互相靠近形成了一座“水桥”（图片来源：视频画面截图）

【知识点】表面张力

【原理解读】微重力环境与液体表面张力是液桥得以成形的主要原因。日常生活中的液桥不易被察觉，比如洗手时两个指尖偶然形成几毫米液柱，再拉远一点就会受重力作用坍塌。而在空间站里，航天员轻松演示出比地面大数百倍的液桥，这在地面上是难以看到的景象。

▲地面同步实验很难达到空间站里的效果（图片来源：视频画面截图）

【小原理大作用】这个实验让大家对于液体表面张力有更加直观和深刻的认识。流体在现代生活当中其实是一个非常重要的组成部分。我们通过这样一个表面张力的实验，给大家更多关注和探讨流体的机会，对流体多一些理解。在空间站上做液桥实验是微重力流体研究范畴，微重力流体物理实际属于流体物理的一个新兴学科。中国空间站核心舱布局了十几个实验柜，其中两个实验柜专门聚焦微重力流体科学。

水油充分混合，一招使两者分离

【精彩一幕】王亚平用力摇晃一个装有水和油的瓶子，让水油充分混合，瓶中一片黄色。时间一分一秒过去，瓶中没有发生任何变化，油滴仍然均匀分布在水中。而地面课堂做着同样的实验，但出现了截然不同的现象：水和油不相溶，油比水轻，油浮在水面上。

那么，在太空中如何实现“水油分离”？有同学提议：“使用旋转的方式，借助离心作用将水和油分开。”随后，叶光富进行了演示，他将绳子系在瓶口，快速旋转，不一会儿，瓶子里的混合液就分离开来了。

▲天上和地面同步实验呈现出不同的效果（图片来源：视频画面截图）

▲王亚平老师展示水油分离后的瓶子（图片来源：视频画面截图）

【知识点】浮力、重力和离心力

【原理解读】水的密度大于食用油，因此在地面上两种液体混合后，油会浮在水的上面形成稳定现象。然而在空间站中，情况却大不一样。中国科学院物理研究所研究员梁文杰解释说，水和油之所以“难舍难分”、长时间保持混合态，是由于在微重力环境下密度分层消失了，也就是浮力消失了。

而在离心作用下水油又实现了分层。“水油在天上成功分离的原因是，瓶子高速旋转时类似离心机，可以理解为离心作用使得浮力重新出现了。”张璐说。

【小原理大作用】科研人员可以借助微重力环境特性开展研究，例如利用密度分层消失，在微重力环境下向熔融合金中注入气体，可以得到航空航天、能源和环保领域的重要材料——泡沫金属。而这还只是微重力环境一个简单直观的应用。

与之相关的是，高微重力科学实验柜能够提供高微重力环境，其内部微重力水平是空间站舱内百倍到千倍，更接近真实宇宙空间；外部设计气浮、磁浮两级悬浮，减轻了空间站姿态和轨道控制机动产生的加速度、各类仪器运转产生的力矩和震动、航天员活动带来的质心变化和冲击、太阳风和稀薄大气的扰动等干扰因素影响，能够支持更为精密的科学实验。

太空直线抛物，顶流“冰墩墩”上场

【精彩一幕】这个环节，一个可爱小巧的冰墩墩闪亮登场。王亚平将冰墩墩用手指轻轻一推，冰墩墩并没有像在地面上那样做曲线运动，而是水平飞出去了，慢慢飘向不远处的叶光富。叶光富接住后，又将其推向王亚平。冰墩墩在两人之间来回做着近似匀速直线运动。

▲“冰墩墩”惊喜亮相中国空间站参与抛物实验（图片来源：视频画面截图）

【知识点】牛顿第一定律、爱因斯坦等效原理

【原理解读】这是一个很好的牛顿第一定律的演示。牛顿第一定律又被称为惯性定律，基本原理是任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。在地球上由于有重力, 物体走抛物线, 在天宫物体几乎不受重力作用, 所以走匀速直线运动。

专家表示，还可以用爱因斯坦广义相对论的等效原理来看待这个问题，等效原理说受到引力和进行加速运动是等效的。天宫受到了地球的引力, 而且以相同的向心加速度在运动，从而二者抵消，天宫内部就变成了一个完美的惯性系。在惯性系中抛出去的物体，在离手之后也就不受任何力，从而也走匀速直线运动。

【小原理大作用】这类平抛运动在我们生活当中很常见，它看似简单，但其中蕴含着非常丰富的科学道理。平抛运动指的是在不计空气阻力的情况下，将物体以水平初速度抛出后，它在重力作用下的运动。如果抛出的速度足够大，它有没有可能不落回地面，而成为环绕地球的一颗卫星呢？

这个思想实验也被称为“牛顿的高山大炮实验”，天宫课堂地面总课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健介绍，利用中学物理知识就可以把这个“足够大”的速度计算出来：大约8000米每秒。这个速度称为第一宇宙速度，成为了发射人造卫星、空间站的重要依据。它是发射卫星的最小发射速度，也是在轨运行的所有卫星当中最大的环绕速度。我们的空间站运行速度接近第一宇宙速度。

||||

（资料来源：新华社、澎湃新闻、人民日报、科技日报、北京日报等）

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 北科传媒

欢迎分享到朋友圈

未经授权谢绝转载

关键词：表面张力匀速直线运动牛顿第一定律