新華社北京６月２０日電（記者白瑞雪、趙薇、任珂）２０日上午舉行的太空授課活動中，我國第一位“太空教師”王亞平通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等５個物理實驗，展示了失重環(huán)境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象，并通過視頻通話與地面課堂師生進行互動交流。
這些美妙的實驗反映了什么樣的物理原理？天地物理特性的差別給航天飛行帶來什么影響，在航天活動中有什么樣的應用？清華大學航天學院副教授王兆魁對這些問題進行了解讀。
實驗一：質量測量——牛頓第二定律
實驗過程：王亞平首先展示兩支完全一樣的彈簧，它們分別固定了兩個不同質量的物體。畫面顯示，兩個彈簧平衡在同一位置，無法測量出物體的質量差別。隨后，鏡頭轉向天宮一號中用于測量質量的“質量測量儀”。聶海勝把自己固定在支架一端，王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架在彈簧的作用下回復原位。ＬＥＤ屏顯示出聶海勝的質量：７４公斤。王亞平解釋說，質量測量儀通過彈簧產生力并測出力的加速度，然后根據牛頓第二定律就可以算出質量。
專家解讀：這個實驗生動地說明了牛頓第二定律的基本原理——“物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質量成反比?！边@是一個在一切慣性空間內普遍適用的基本物理定律，不因物體的引力環(huán)境、運動速度而改變，因此在太空和地面都是成立的。
在地球表面，由于受到地球引力的作用，物體的質量體現為重量。物體懸掛在彈簧秤上時，彈簧的拉力和物體受到的地球引力達到平衡，因此可以從彈簧秤的讀數中得到物體的重量。而在繞地球高速運動的飛船里，地球引力被飛船的離心力所平衡，飛船內部不再有地球引力的影響，也就沒有了重量的概念，因此彈簧秤就沒有讀數。
天宮一號里的“質量測量儀”直接運用了牛頓第二定律，利用作用力和物體加速度的關系確定物體的質量。這個原理在航天活動中有著廣泛的應用。例如，航天器的燃料消耗一段時間后，總質量會發(fā)生變化，可能影響軌道控制的精確度。這時就可以開啟推力器并同時測量航天器的加速度，從而計算出航天器的質量。
實驗二：單擺運動——太空失重
實驗過程：Ｔ形支架上，細繩拴著一顆小鋼球。這是物理課上常見的實驗裝置——單擺。王亞平把小球拉升到一定高度后放手，小球并沒有像在地面那樣往復擺動，而是懸停在了半空中。王亞平用手指輕推小球，小球開始繞著Ｔ形支架的軸心做圓周運動。
專家解讀：實驗中小球沒有來回擺動、而是懸浮或者做圓周運動，是太空中的失重現象導致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球會向下運動，而由于小球被細繩連接在支架上，它就會被細繩牽著來回擺動。但太空中沒有重力作用，小球只會在原地懸浮。同樣因為重力環(huán)境的不同，在太空中輕輕推小球一下，小球會在細繩的牽引下做圓周運動。而在地面上，需要給小球足夠大的初速度，才能使它克服地球重力的阻礙，實現圓周運動。
失重是空間與地面環(huán)境最重要的差別之一。它雖然給飛行生活帶來很多有趣的體驗，但也會妨礙航天員在艙內的操作，同時對航天員的心血管系統(tǒng)和肌肉、骨骼系統(tǒng)帶來不利影響。針對這個問題，航天醫(yī)學專家研究出很多醫(yī)學防護措施，航天員也會在航天器中通過主動鍛煉來增強心血管和肌肉功能。
實驗三：陀螺運動——角動量守恒
實驗過程：王亞平取出一個紅黃相間的陀螺懸放在空中。用手輕推陀螺頂部，陀螺翻滾著飛向遠處。緊接著，她又取出一個一模一樣的陀螺，讓它旋轉起來，懸浮在半空中，再用手輕輕一推，旋轉的陀螺不再翻滾，而是保持著固定的軸向向前飛去。
專家解讀：轉動的陀螺具有定軸性，定軸性遵守角動量守恒原理——在沒有外力矩作用的情況下，物體的角動量會保持恒定。航天員瞬時施加的干擾力不能產生持續(xù)的力矩，由于角動量守恒，旋轉陀螺的旋轉軸就不會發(fā)生很大改變。而這一點在地面上之所以很難實現，并不是因為角動量守恒定理不成立，而是因為陀螺與地面摩擦產生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動量，使其旋轉速度逐漸降低，不能很好地保持旋轉方向。
利用角動量守恒定律，我們可以實現衛(wèi)星的定向控制?；谕勇葜赶蚍€(wěn)定性特點制成的陀螺儀，還被廣泛用于不同領域各種平臺的穩(wěn)定控制。雪鐵龍Ｃ６轎車上就安裝了測量車身縱向和橫向擺動的陀螺傳感器，可以實現車身穩(wěn)定度的控制。
實驗四五：制作水膜、水球——液體表面張力
實驗過程：王亞平把一個金屬圈插入飲用水袋中，慢慢抽出金屬圈，形成了一個水膜?；蝿咏饘偃Γひ矝]有破裂；往水膜表面貼上一片畫有中國結圖案的塑料片，水膜依然完好。她接著做了第二個水膜，用飲水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快變成一個亮晶晶的大水球。再向水球內注入空氣，水球內形成兩個球形氣泡，既沒有被擠出水球，也沒有融合到一起。最后，王亞平注入紅色液體，紅色慢慢擴散開來，把水球變成了一枚美麗的“紅燈籠”。
專家解讀：這兩個實驗均展示了液體表面張力的作用。受到內部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內部的趨勢，導致表面就像一張繃緊的橡皮膜，這種促使液體表面收縮的繃緊的力，就是表面張力。
表面張力現象在日常生活中非常普遍，比如草葉上的露珠、空氣中吹出的肥皂泡等。地球引力使得肥皂泡上方變薄破裂而無法長久存在，而太空中的液體處于失重狀態(tài)，表面張力不僅大顯身手，還決定了液體表面的形狀。水膜實驗中，表面張力使水膜像橡皮膜一樣搭在金屬環(huán)里，并且比地面上形成的水膜面積更大、存在時間更長。同樣，由于沒有重力影響，航天員向水膜上不斷注入水時，這些水就能夠均勻分布在水膜周圍，逐漸形成水球。
液體表面張力在航天活動中有重要應用。失重環(huán)境下，航天器推進劑貯箱中的液體燃料界面和氣體界面不再是穩(wěn)定的，可能產生液體遷移、氣液混合等現象，導致推進劑無法正常供應。因此，科學家們制造了表面張力貯箱，利用表面張力推動液體推進劑流動，為動力系統(tǒng)提供滿足要求的推進劑。
