發表日期 3/24/2022, 12:23:04 AM
3月23日,神舟十三號乘組航天員翟誌剛、王亞平、葉光富在中國空間站,跨越400公裏的距離進行“天地對話”,講授“天宮課堂”第二課。
這次,“太空教師”主要在軌演示太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗,並介紹與展示空間科學設施。
水球變“冰球”
王亞平“點水成冰”變魔術
首次“天宮課堂”上,王亞平利用固水環製作瞭水膜、水球,並開展瞭一係列實驗。而在第二堂課上,王亞平沒有再藉助其他器具,取齣水袋後直接輕輕擠壓,液體在管口齣現結晶,經過處理後,王亞平再次擠齣液體,液體球靜靜地懸停在空間站艙內。
接下來,奇妙的現象齣現瞭,王亞平用蘸有粉末的小棒觸碰液體球後,它開始“結冰”!
實際上,王亞平製作的“水球”成分是過飽和的醋酸鈉溶液。將飽和醋酸鈉溶液加熱,它便有能力繼續溶解更多溶質,再將“加料”後的溶液冷卻,便得到瞭過飽和醋酸鈉溶液。此時,如果沒有新的溶質加入,它就會在水袋內穩定保持溶液狀態,平安度過飛船發射的震動,順利到達中國空間站。
但溶液並沒有錶麵看起來那樣平靜,隻需再加入一點點無水醋酸鈉粉末,“水球”便會從粉末所接觸的地方開始結晶,結晶過程中還會釋放熱量。因此,這個“冰球”其實是個“熱球”!
如果在地麵進行這項實驗,過飽和溶液受到容器的限製隻能嚮內結晶。而空間站擁有微重力環境,溶液不需要容器盛裝就能在空中形成溶液球,從而觀察到不受地球重力影響的材料物性變化。
在空間站裏
用水造一座“橋”
在首次“天宮課堂”時,王亞平製作瞭一張漂亮的水膜,還將一朵與女兒一同製作的紙花放置在水膜上。在水錶麵張力的作用下,紙花沿著水膜錶麵慢慢綻放,成就瞭溫馨又經典的一幕。
這次,同樣是嚮孩子們展現水的錶麵張力,王亞平手持兩片塑料闆,葉光富嚮塑料闆錶麵分彆擠上水,兩片塑料闆逐漸接近,水便在闆間連起瞭一座“橋”,王亞平將塑料闆的距離拉遠,“橋”也沒有斷開。這便是“液橋現象”。
其實在地麵環境下,液橋也並不罕見。洗手時將兩根濕漉漉的手指貼閤,再緩慢分開一小段距離,指間會齣現一段小液柱,這便是液橋。不過,由於液體錶麵張力很弱,在正常的重力環境下,液橋的尺寸通常難以超過幾毫米。而在空間站微重力環境下,錶麵張力便能“大顯神通”,可以維持大尺寸的液橋不會垮塌。
冰墩墩亮相“天宮課堂”
沿著直綫“飛”瞭齣去
北京鼕奧會吉祥物“冰墩墩”也亮相太空課堂,當起瞭“助教”。王亞平將可愛的“冰墩墩”吉祥物拋齣,它並沒有像在地麵上一樣掉落,而是沿著直綫“飛”瞭齣去。
這是空間站微重力環境最直觀的體現,但如此簡單的實驗,為何一定要帶到“天宮課堂”上?天宮課堂地麵主課堂授課老師、北京師範大學第二附屬中學物理教師張健解釋道,簡單的平拋運動,在著名科學傢牛頓的腦海裏被放大到宇宙尺度。既然在地麵上拋齣物體的速度越快,它就能落到更遠的地方,那如果拋齣物體的速度足夠大,它是否能成為環繞地球的衛星?
這個思想實驗也被稱為“牛頓的高山大炮實驗”,由它引齣的第一宇宙速度等概念,成為瞭發射人造衛星、空間站的重要依據。
這類思想實驗在科學發展的曆史中並不鮮見,伽利略通過理想斜麵對接實驗幫助人們認識瞭力與運動的關係,廣義相對論中愛因斯坦用理想升降機提齣瞭強等效原理……基於邏輯法則和事實基礎開展的思想實驗,對科學進步起到瞭重要的作用。
在空間站
水油不會自然分層
課堂上,在王亞平手中的小瓶中,裝著水、油兩種物質。在空間站環境下,晶瑩剔透的油滴並不會像在地麵一樣上浮,而是與水相混閤,這和首次太空授課時,水中泡騰片不斷翻騰的氣泡現象相互呼應。
不過,在葉光富用一根繩係住瓶子並快速鏇轉小瓶後,由於離心力的作用,水油則齣現瞭分層。他們背後的原理都是在微重力環境下密度分層的消失,這是微重力環境最直觀的應用。
為什麼要把空間站的失重環境稱為“微重力”呢?其實,空間站雖然擁有失重環境,但它並沒有脫離地球引力。在距離地球約400公裏的軌道上,空間站受到的重力大約是地麵的88.5%,並沒有顯著小於地麵。之所以空間站能形成微重力環境,是因為它具備極高的飛行速度,此時,重力成為瞭恰到好處的嚮心力,讓空間站能圍繞地球運行。但地球並非均勻的球體,空間站也並非速度恒定,因此空間站內的環境是“微重力”而非“零重力”。
答疑
在太空流淚,眼淚會在眼眶裏打轉
有網友嚮神舟十三號航天員乘組提問:空間站裏流眼淚是怎樣的,會不會像果凍一樣拉得很長?在“天宮課堂”的交流環節,王亞平迴應道,在空間站飛行過程中,他們經曆過許多激動、熱淚盈眶的時刻,這時,眼淚無法像在地麵一樣流下,而是會在眼眶裏打轉,或者停留在眼角。
在空間站,航天員也用北京時間安排作息
針對同學們“航天員的作息如何安排”的問題?翟誌剛錶示,在空間站,航天員每90分鍾就要經曆一次日齣日落。在空間站中,既有北京時間,也有世界時間,還有相對飛行時間、絕對飛行時間等。根據任務不同,所采用的時間標準也不一樣。在有人駐留的情況下,一般采用北京時間安排航天員的作息製度。
王亞平說皮膚狀態很不錯
有網友提問:皮膚在太空會變好嗎?王亞平解釋道,空間站沒有太陽光照射,溫度和濕度也都控製在適宜範圍內,另外在微重力環境下,體液會嚮上分布,皮膚也會隨之嚮上提升,所以我感覺在空間站裏皮膚狀態很不錯。此外,在空間站,護膚水之類的不能倒齣來,要用特定裝置擠壓。
北京日報(ID:Beijing_Daily)記者 劉蘇雅、@央視新聞【轉載請注明來源:北京日報微信公眾號】