太空科學(xué)課（一）

太空熊貓君

2021年10月16日0時(shí)23分，牽動(dòng)著全國(guó)人民心弦的神舟十三號(hào)載人飛船順利進(jìn)入預(yù)定軌道。不久后，飛船與天和核心艙成功交會(huì)對(duì)接，中國(guó)空間站迎來(lái)了第二批住客——翟志剛、王亞平、葉光富。三名航天員自此開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的太空生活。剛剛進(jìn)入太空沒(méi)幾天，翟志剛和王亞平就在全國(guó)人民的關(guān)注下，出艙執(zhí)行了一次任務(wù)，王亞平也成為我國(guó)首位執(zhí)行出艙任務(wù)的女性航天員。王亞平還在空間站里進(jìn)行了太空授課。

這并不是王亞平第一次進(jìn)入太空，更不是她第一次進(jìn)行太空授課。早在2013年6月，王亞平就曾參與執(zhí)行神舟十號(hào)飛行任務(wù)，并擔(dān)任太空授課的主講老師，在天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室為8萬(wàn)多所學(xué)校、6000多萬(wàn)名學(xué)生，帶來(lái)了一堂40分鐘的太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)課。

在這次太空授課中，王亞平擔(dān)任主講老師，指令長(zhǎng)聶海勝擔(dān)任助教老師，航天員張曉光負(fù)責(zé)攝像，那么，太空教學(xué)三人組都進(jìn)行了哪些實(shí)驗(yàn)，這里面都涉及了哪些科學(xué)原理呢？今天我們就來(lái)解讀第一個(gè)實(shí)驗(yàn)——“太空神功”。

直播畫(huà)面中，聶海勝盤(pán)起雙腿，懸浮在實(shí)驗(yàn)艙中，王亞平輕輕一推，聶海勝立刻被推走，仿佛氣球一般，甚至還在空中翻起了跟頭。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理并不復(fù)雜：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部是失重的，所有的物體都會(huì)懸浮在空中，而王亞平推聶海勝之后，由于慣性的作用，聶海勝就會(huì)越飛越遠(yuǎn)了。天宮一號(hào)內(nèi)部處于失重環(huán)境，是因?yàn)樗皇艿厍蛞τ绊憜幔繉?shí)際上，距離地面大約300多千米的天宮一號(hào)受到的地球引力是不能被忽視的?；蛘哒f(shuō)，恰恰是因?yàn)榈厍蛞Φ淖饔?，天宮一號(hào)才能夠環(huán)繞地球飛行。假若航天器沒(méi)有在高速飛行而是相對(duì)地面靜止于天空上，則必然會(huì)被引力拉扯從而墜向地面。那么，為什么畫(huà)面中的航天員都處于失重狀態(tài)呢？這不矛盾嗎？這就要用天宮一號(hào)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)解釋了。

天宮一號(hào)的飛行軌道距地面約350千米，環(huán)繞地球飛行一周約90分鐘。為了保證自身既不會(huì)由于速度太慢而墜入大氣層，也不會(huì)因?yàn)樗俣忍於w離地球，天宮一號(hào)必須保持接近于第一宇宙速度（7.9千米/秒）的速度繞地球進(jìn)行圓周飛行。任何一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，都一定會(huì)獲得向心力，對(duì)于天宮一號(hào)來(lái)說(shuō)，它高速運(yùn)行時(shí)獲得的向心力就是由地球?qū)λ囊μ峁┑?。地球引力拉扯著天宮一號(hào)高速轉(zhuǎn)圈，形成了一種平衡，也無(wú)法再額外提供豎直向下的重力了，所以畫(huà)面中的航天員都處于失重的狀態(tài)。

航天員聶海勝被輕輕一推就飛了出去，這就是慣性的“功勞”了。我們應(yīng)該非常熟悉“慣性”這個(gè)概念：開(kāi)車(chē)的時(shí)候，即使停止踩油門(mén)，但不踩剎車(chē)的話(huà)，車(chē)也很難馬上停下來(lái);如果司機(jī)忽然來(lái)個(gè)急轉(zhuǎn)彎，乘客則會(huì)向著相反的方向傾倒……這都是由于慣性的作用。牛頓對(duì)慣性定律做出了非常準(zhǔn)確的表述：任何物體都要保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。這就是著名的牛頓第一定律，又稱(chēng)慣性定律。

然而雖然說(shuō)起來(lái)輕巧，人類(lèi)認(rèn)識(shí)慣性的過(guò)程卻并不容易。早在2300多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德就通過(guò)對(duì)自然事物的觀察，將運(yùn)動(dòng)分成了自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)。自然運(yùn)動(dòng)是指，月亮以下的世界是由土、水、火、氣四種元素構(gòu)成的，每種元素都有著自己的運(yùn)動(dòng)傾向：土最重，會(huì)向下沉;水次之，也會(huì)向下沉;火較輕，會(huì)向上浮;氣最輕，自然會(huì)向上浮。除此之外受到外力的運(yùn)動(dòng)則是受迫運(yùn)動(dòng)。亞里士多德認(rèn)為，力是物體運(yùn)動(dòng)的原因，物體受力就會(huì)運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)物體不受力的時(shí)候，它就會(huì)靜止。

直到1900多年后，意大利科學(xué)家伽利略才第一次正式向亞里士多德的理論發(fā)起了挑戰(zhàn)，他做了著名的斜面實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，伽利略讓鋼球從斜面滾下，鋼球會(huì)自然滾上前方的另一個(gè)斜面，無(wú)論前方的斜面坡度如何，鋼球都會(huì)滾到和下落前同樣的高度。這讓伽利略開(kāi)始思考，如果鋼球滾下之后，前面不再是另一個(gè)斜面，而是一個(gè)無(wú)盡的、絕對(duì)光滑的平面，鋼球豈不是會(huì)一直向前運(yùn)動(dòng)下去？雖然我們找不到一個(gè)沒(méi)有摩擦力的無(wú)限平面，但是現(xiàn)在伽利略的思考已經(jīng)被證明是對(duì)的，在這種情況下小球會(huì)一直沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)下去。后來(lái)，法國(guó)科學(xué)家笛卡兒補(bǔ)充和完善了伽利略的觀點(diǎn)，他提出：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到其他外力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，既不停下來(lái)也不偏離原來(lái)的方向。這便是牛頓第一定律的雛形。

慣性在生活中的應(yīng)用十分常見(jiàn)，早在慣性定律發(fā)現(xiàn)之前，人類(lèi)在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的射擊武器、為了娛樂(lè)發(fā)明的各種球類(lèi)運(yùn)動(dòng)，乃至平時(shí)抖落灰塵、甩掉手上的水，其實(shí)都是在利用慣性。不過(guò)慣性也會(huì)給我們帶來(lái)很多麻煩，例如奔跑中不容易快速改變方向、急剎車(chē)時(shí)身體會(huì)向前傾等。

慣性在太空中仍然存在。航天器想要進(jìn)入太空，需要火箭提供強(qiáng)大的動(dòng)力，但在太空中的運(yùn)動(dòng)就不需要這么強(qiáng)大的動(dòng)力支持了。由于慣性的存在，航天器可以毫不費(fèi)力地保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，節(jié)能又環(huán)保。然而如果飛向了錯(cuò)誤的方向，調(diào)整行進(jìn)方向也是十分困難的?？苹秒娪啊兜匦囊Α分芯陀羞@樣的場(chǎng)景：遭遇事故的航天員被撞離空間站，他如果身上沒(méi)有動(dòng)力裝置，就只能飛向茫茫宇宙，再也無(wú)法返回空間站了。

太空第一課中，雖然王亞平只是輕輕推聶海勝，但理論上講由于慣性聶海勝會(huì)保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一直飛出去。當(dāng)然啦，即便實(shí)驗(yàn)艙是無(wú)限大的，聶海勝也會(huì)由于其內(nèi)部的空氣阻力最終停下來(lái)，不過(guò)這個(gè)小實(shí)驗(yàn)依然可以讓我們對(duì)慣性定律有一個(gè)更直觀且有趣的認(rèn)識(shí)。

小小的一推只是太空第一課的開(kāi)始，后面王亞平還會(huì)操作哪些實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)又包含哪些科學(xué)原理呢？我們下期再來(lái)一起解讀吧！