“天宮課堂”，余音回響（上）

□文/南京市玄武高級中學 張軍

2021年12月9日15時40分，“天宮課堂”在中國空間站準時開課?！吧裰凼枴背私M航天員王亞平、翟志剛、葉光富這3位“站位很高”的老師，給全國青少年帶來了一場精彩絕倫的科學盛宴。此次太空授課結(jié)束后，同學們依然很好奇：航天員失重到底是怎么回事？空間站里的健身器材究竟有什么奧妙？空間站為什么不會掉下來？太空轉(zhuǎn)身實驗能在地球上演示嗎？今天，張老師就和大家聊聊相關(guān)話題。

空間站里的航天員真的不受重力嗎

我們的“重力”概念，來自在地球表面的生活經(jīng)驗。

萬有引力定律告訴我們，任意兩個有質(zhì)量的物體之間都存在引力，引力的大小與物體質(zhì)量的乘積成正比，與物體間距離的平方成反比。但是，我們?yōu)槭裁礇]有感受到樹木、講臺、公交車對我們的引力呢？因為這個力實在太小了。不過，當你從地面跳起時，地球?qū)δ愕囊涯憷氐孛?。天體間的引力就非常大了，太陽與地球之間的引力可以將直徑為9 000千米的鋼柱拉斷。

用線拴住小球，把它掄起來做圓周運動。此時如果把線剪斷，小球就會飛出去。做圓周運動的物體，必須有一個指向圓心的力來保證，這個力叫向心力。地球繞太陽轉(zhuǎn)動，向心力是太陽對地球的引力提供的；月球繞地球轉(zhuǎn)動，向心力是地球?qū)υ虑虻囊μ峁┑?；小球繞著你的手做圓周運動，向心力是繩子的拉力提供的。

地球在自轉(zhuǎn)，帶著地面上的所有物體，包括你、我、高山、大海、高樓大廈，一起繞地軸做圓周運動，這個向心力是地球?qū)ξ覀兊囊μ峁┑摹?/p>

忽略其他次要因素，我們來對地表物體所受的引力做一個簡要分析。

把地球看作球體，則地心O就是球心，O′是物體繞地軸轉(zhuǎn)動的圓心，F(xiàn)是地球?qū)ξ矬w的吸引力，力的方向指向地心O（圖1）。力F產(chǎn)生了兩個效果，一是提供向心力F1，讓物體繞著圓心O′做圓周運動；二是讓物體有豎直向下掉落的趨勢，這個力就是重力G。若把物體放在支撐面上，支撐面阻礙了物體的掉落，并與物體相互擠壓，彼此發(fā)生形變。物體要恢復原狀，對支撐面產(chǎn)生壓力；支撐面要恢復原狀，對物體產(chǎn)生支持力，這兩個力其實都是彈力。若把物體系在繩子下端，繩子會阻礙物體的掉落，被拉長的繩子要恢復原狀，對物體產(chǎn)生的彈力就是拉力。

圖1

所以，我們真正感受到的不是“重力”，而是支持力、拉力。蘋果熟了從樹上掉下來、水往低處流等現(xiàn)象，也會讓我們意識到重力的存在。

在談論重力時，要考慮兩種極端情況。一是物體位于南極點或北極點時，圓周運動的半徑為零，不需要向心力，地球?qū)ξ矬w的引力都表現(xiàn)為重力，這時物體所受的重力最大；二是物體位于赤道上方時，圓周運動的半徑最大，需要的向心力也達到最大，導致重力達到最小。所以，物體所受的重力大小隨地理位置變化，但質(zhì)量是不隨地理位置改變的。

有沒有引力都用來提供向心力的情況呢？有的。當同步衛(wèi)星在軌道運行時，并沒有像板凳、桌面那樣的物體來提供支持力，或者由繩子提供拉力，這時地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力都用來提供向心力，就感受不到重力了。同理，空間站里的人和物，與空間站一起繞地球做近似圓周的運動，地球施加的萬有引力幾乎都用來提供向心力，這時即使把物體放在桌面上，桌面對物體也沒有支持力，當然物體對桌面也沒有壓力。人站立在地板上，地板對人沒有支持力，人對地板也沒有壓力，就好像重力不存在了。這就是我們所說的失重現(xiàn)象，表現(xiàn)為拉力或支持力等于零。

理論上，把空間站和里面的所有物體看成整體，每一個時刻，這個整體中只有一個點（質(zhì)心）是完全失重的（零重力狀態(tài)），其余部分還會受到微乎其微的、難以感受到的重力，即微重力。所以，空間站是微重力環(huán)境，航天員所受的重力極其微小，人體幾乎感覺不到。

地面上也能感受到失重和超重，典型的例子是乘坐電梯。電梯開始向上運動時是一個加速過程，地板對我們的支持力大于我們的重力，我們會感覺腿部支撐的重量增加——這是超重現(xiàn)象。轎廂停下的那一瞬間是減速運動，地板對我們的支持力小于我們的重力，人會覺得有點飄，感覺腿部支撐的重量減少了——這是失重現(xiàn)象。

我們可以用彈力測力計吊著物體來模擬電梯的上升過程。由靜止突然向上運動時，拉力大于重力；勻速上升時，拉力等于重力；減速停止運動時，拉力小于重力。

載人航天器在加速升空時處于超重狀態(tài)，支持力可能是人體重力的好幾倍，人體的大腦、骨骼、血管、內(nèi)臟都要經(jīng)受極限挑戰(zhàn)。過山車上升階段的支持力可達到人體重力的2倍，此時有的人就頭暈眼花甚至嘔吐了。因此，航天員的身體素質(zhì)必須遠超常人，被選拔后，還要進行4年以上的系統(tǒng)訓練。

過山車往下俯沖時，失重的體驗也比乘坐電梯要明顯得多（圖2）。大型游樂場的離心機和落塔項目的失重體驗更真切。美國、俄羅斯、歐洲等地，還有專門體驗失重的商業(yè)服務，一次費用大概幾千美元。

圖2

航天員在地面如何進行失重訓練

在地球上模擬微重力環(huán)境，主要有3種設備。

第一是游泳池。航天員在潛水員的協(xié)助下，在巨大的游泳池中模擬太空行走和工作（圖3）。充氣馬甲與配重配合，讓浮力和總重力平衡，航天員處于懸浮狀態(tài)，感覺類似于太空中的失重。但是，水下懸浮與真正的空間站體驗還是有很大差別：水中動作的受阻感明顯，在空間站里則幾乎感受不到阻力；在水中可以判斷自己是正立、倒立還是傾斜的，但在空間站里，上下、正倒的概念都不存在了。

圖3

第二種是俯沖的飛機。飛機向下俯沖時，航天員會失去支持力和拉力，體驗到失重。飛機軌跡是連續(xù)波浪狀的開普勒拋物線，每次訓練時，飛機會飛二三十個拋物線，每個拋物線可以有二十幾秒的失重時間。

第三種是落塔。許多國家都建有落塔，我們的國家微重力實驗室也有一座用于設備測試的落塔，設備從83米高處自由落下，可以獲得3.6秒的微重力時間。

空間站健身器材暗含哪些物理知識

為防止在微重力環(huán)境中身體機能嚴重受損，航天員每天必須花一定時間進行鍛煉。

在地球上，哪怕你不鍛煉，肌肉和骨骼也時刻在對抗重力，相當于“鍛煉”一直在進行。我們的鍛煉，很多是在對抗“阻力”中完成的。比如，用啞鈴或杠鈴健身（圖4），對抗的是重力；引體向上，對抗的也是重力；俯臥撐，對抗的還是重力。這些鍛煉方式在空間站全都用不上。但是，在微重力條件下，發(fā)生彈性形變的物體依然能產(chǎn)生彈力，物體間擠壓并發(fā)生相對運動時依然產(chǎn)生摩擦力，分子間依然有相互作用的引力和斥力，磁極間依然有相互的吸引或排斥，液體的粘滯阻力依然存在……把這些力變成“阻力”，就可以進行鍛煉了。

圖4

把彈力當成鍛煉的“阻力”，是最常用的方法之一。我們在地球上也用克服彈力的方式來鍛煉，比如使用握力器、拉力器訓練力量（圖5）。在空間站，四肢或身體其他部位在拉伸、壓縮、扭曲、彎曲彈力設備（彈簧、彈力繩等）時，會有“用力”的感覺，肌肉和骨骼可以得到鍛煉。航天員的企鵝服中暗藏許多彈力拉帶和調(diào)節(jié)環(huán)，可以使航天員的身體長時間保持一定的張力，也是同樣的原理（圖6）。

圖5

圖6

在地球上，堵住針筒小孔、拉動活塞時會覺得費力，這是空氣壓力造成的。空間站內(nèi)部也有氣壓，有一種深蹲設備就是利用大氣壓力作為“阻力”來進行鍛煉的。

在空間站利用跑步機進行鍛煉時，需要用馬甲等設備把人拽壓在跑步機的跑帶或滾筒上，這樣肩膀、臀部、腳部才會感覺到壓力和摩擦力，腳才能真正地跑起來。跑步機下面要采取減震措施，以免對儀器設備的正常使用造成干擾。這次太空授課中，王亞平給大家示范了如何使用自行車來鍛煉腿部或手臂（圖7）。自行車內(nèi)部可以有多種設計，比如使用電磁力或摩擦力作為阻力，用類似于杠桿、齒輪、傳動皮帶的裝置來傳動，阻力大小也可以有多種方法調(diào)節(jié)。上肢或下肢在騎行時必須固定住，否則反作用力會讓人飄離騎行臺。

圖7

知道了這些原理，我們還可以設計更多的空間站健身設備。

空間站為什么不會掉下來

將瓶裝水舉到高處，放手時，瓶子會掉下來。用繩子拴住瓶口，手拉住繩子，讓瓶裝水在豎直平面內(nèi)做圓周運動，這時瓶子在高處就不會掉落了（圖8）。

圖8

同樣的道理，空間站以一定的速度環(huán)繞地球運動時，也不會掉下來。月亮繞地球運動，不會掉到地球上；地球繞太陽公轉(zhuǎn)，也不會掉到太陽上。

物體被繩子拉住在空中做圓周運動，繩子的拉力提供了向心力?？嚲o的繩子一端由我們的手拉住，另一端由物體在拉著——但是，是什么力把物體向外拉呢？轉(zhuǎn)動的速度越大，我們感覺向外拉的力就越大，這只“無形的手”就是離心力。離心力是一種虛擬力，沿著半徑方向遠離圓心，使旋轉(zhuǎn)的物體遠離旋轉(zhuǎn)中心，但是你找不到施力物體。

想象我們坐在大轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，我們會感覺某種力量想把我們推下圓盤，這就是離心現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速較小時，摩擦力可以提供向心力，人不會被甩離轉(zhuǎn)盤；轉(zhuǎn)速變大，所需的向心力也變大，當摩擦力不足以提供向心力時，人就被甩離圓心。我們可以做一個類似實驗，把物體放在轉(zhuǎn)臺上，快速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺時，物體就會被甩出去（圖9）。產(chǎn)生離心力或離心現(xiàn)象的真正原因，是物體自身的慣性。

圖9

離心現(xiàn)象在生活中很常見。洗衣機的甩干筒高速轉(zhuǎn)動時，濕衣服就會被甩向四周，衣服被筒壁擋住，水從筒壁的小孔中被甩走。轉(zhuǎn)動雨傘時，傘面上的水珠也會被甩出去。實驗室分離制備生物大分子，核工業(yè)進行鈾濃縮，都離不開離心機技術(shù)，離心機就是利用離心力進行工作的。

實際上，所有做曲線運動的物體都受到離心力。汽車轉(zhuǎn)彎時做曲線運動，如果速度太大，也會被“甩”出路面。摩托車賽車手在轉(zhuǎn)彎時，身體會側(cè)向運動軌跡的內(nèi)側(cè)，卻不會倒向地面，因為離心力正在向外側(cè)牽引著他（圖10）。

圖10

找一段結(jié)實的、伸縮小的繩子，讓繩子穿過一小截PVC管。繩子一端系著質(zhì)量小一些的物體，比如小瓶瓶裝水；另一端系著質(zhì)量大一些的物體，如大瓶瓶裝水或多瓶瓶裝水。握住PVC管甩動，讓繩子拉著質(zhì)量較小的物體做圓周運動。隨著轉(zhuǎn)速增大，圓半徑增大，離心力也增大——質(zhì)量較大的重物被繩子從地面拉了起來（圖11）。這表明，離心力隨著轉(zhuǎn)速增大、轉(zhuǎn)動半徑增大而增大。

圖11

空間站繞地球做圓周運動時，既受到地球引力提供的向心力，又受到與向心力方向相反的離心力。當二者平衡時，圓周運動是穩(wěn)定的，空間站既不會遠離地球，也不會掉落。如果空間站的環(huán)繞速度變大，離心力就會變大，會導致空間站被甩離地球；如果空間站的環(huán)繞速度變小，離心力也會變小，空間站高度就會下降?？臻g站的軌道高度一般在距離地面400千米附近，在這樣的高度，空間站仍然會受到稀薄空氣阻力的影響，導致軌道半徑不斷減小，如果不進行變軌重回軌道，空間站高度就會不斷下降，最終掉落地面。所以，空間站上必須配備火箭發(fā)動機，利用燃料助推，對軌道進行修正。

我們在游樂場坐旋轉(zhuǎn)飛機或過山車時，也會體驗到離心力。旋轉(zhuǎn)飛機轉(zhuǎn)得越快，你就越有被往外甩的感覺。

在地面上能體驗“太空轉(zhuǎn)身”嗎

“天宮課堂”中，葉光富老師嘗試用不同方法轉(zhuǎn)身——模仿地面上轉(zhuǎn)身動作不奏效，采用游泳姿勢不奏效，用嘴吹氣也不奏效，最后采用右臂畫圈圈的方法，終于轉(zhuǎn)過身了（圖12）。

圖12

太空轉(zhuǎn)身包含著角動量守恒的知識。初中物理提到的運動一般指平動。平動時，物體上任意兩點運動前后的連線保持平行，比如在平直公路上行駛的汽車、在汽缸中做往復運動的活塞。慣性讓物體具有保持原來運動狀態(tài)不變的性質(zhì)，如短跑運動員跑到終點不能立刻停下來，剎車時司機和乘客會倒向前方，子彈出膛后還可以繼續(xù)飛行一段距離，等等。物體的質(zhì)量越大，慣性就越大，運動狀態(tài)就越難以改變。物體轉(zhuǎn)動時同樣有保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)，這個性質(zhì)不用慣性來描述，而是用轉(zhuǎn)動慣量來描述。

如果沒有額外的力來加速物體轉(zhuǎn)動或阻礙物體轉(zhuǎn)動，則物體的角動量守恒，這是自然界的普遍規(guī)律。轉(zhuǎn)動慣量增大，角速度就會減小；轉(zhuǎn)動慣量減小，角速度就會增大。

讓一位同學雙手各握著一個啞鈴，站到轉(zhuǎn)臺上，推著他讓他和轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動起來，他便具有了一定的角動量。轉(zhuǎn)動過程中，讓他把手臂向兩側(cè)伸直——質(zhì)量分布向外側(cè)移動，會導致轉(zhuǎn)動慣量增大，角速度就會減小——他的轉(zhuǎn)動便慢下來。讓他將兩手向胸前靠攏——周圍的質(zhì)量向中心移動，會導致轉(zhuǎn)動慣量減小，角速度就會增大——他的轉(zhuǎn)動立馬加快。

花樣滑冰運動員需要增大轉(zhuǎn)速時，會將雙手收縮回來抱到胸前，而要讓轉(zhuǎn)動慢下來時，則盡量將身體舒展開，也是同樣的道理（圖13）。在空間站里，葉光富老師直觀地給我們演示了這個現(xiàn)象。由于空氣阻力非常小，他身體的轉(zhuǎn)動顯然流暢得多。

圖13

直升機起飛時角動量為零，升到空中時角動量也應該為零。旋轉(zhuǎn)的巨大螺旋槳會產(chǎn)生一個角動量，導致機身反轉(zhuǎn)——產(chǎn)生一個相反的角動量來抵消螺旋槳的角動量。這與葉光富老師在空間站中發(fā)生的情況相同——他的上半身左轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個角動量；同時他的下半身會隨之右轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個相反的角動量，來抵消上半身的角動量。

我們也可以設計一個實驗來模擬。讓一位同學站在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺施加的支持力與他所受的重力相平衡，相當于沒有重力干擾，他的角動量應當保持零不變（忽略轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的摩擦）。當他將上半身往左轉(zhuǎn)時，他的下半身會同時向右轉(zhuǎn)。如果他的上半身向右轉(zhuǎn)，下半身就會同時向左轉(zhuǎn)。讓他將手臂從后向上、向前旋轉(zhuǎn)起來，他便會慢慢地轉(zhuǎn)身了。改變手臂的旋轉(zhuǎn)平面，轉(zhuǎn)動的快慢會發(fā)生變化。讓手臂從前向上、向后旋轉(zhuǎn)，身體的轉(zhuǎn)動方向也會改變。

還讓那位同學站在轉(zhuǎn)臺上，雙手向前伸直，從兩側(cè)握住自行車車輪的軸。原先他和車輪、轉(zhuǎn)臺都是靜止的，現(xiàn)在讓車輪轉(zhuǎn)動起來，你會發(fā)現(xiàn)他慢慢地轉(zhuǎn)身了！改變車輪的轉(zhuǎn)動方向，他轉(zhuǎn)身的方向也改變了（圖14）。

圖14

你明白其中的道理了嗎？葉光富老師旋轉(zhuǎn)的手臂就相當于這個自行車車輪。

用電動陀螺可以演示類似的現(xiàn)象（圖15），用自行車車輪也可以演示類似的現(xiàn)象（圖16）。

圖15

圖16

實際上，我們騎車時，如果車輪不轉(zhuǎn)動，單憑兩只車輪支在地面，我們很難在車上保持穩(wěn)定。當騎車前行，車輪轉(zhuǎn)動起來，加上手對車龍頭的適當控制，自行車就穩(wěn)定了。這里面同樣包含角動量的知識。

“天宮課堂”中，葉光富老師用吹氣的方法沒有實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)身。實際上，如果他一直吹氣，還是可以“轉(zhuǎn)身”的，只不過不是圍繞身體中軸線旋轉(zhuǎn)，而是上半身向后翻轉(zhuǎn)。

我們站在地面上能轉(zhuǎn)身，是靠地面的摩擦力完成的。直升機安裝尾槳，改進旋翼布局，則是為了引進外力，破壞直升機的角動量守恒，從而避免直升機打轉(zhuǎn)。

在微重力的環(huán)境中還有許多有趣的現(xiàn)象，下一期我們接著聊紙花綻放、浮力消失、水球成像等。記住，掃碼觀看實驗視頻！動手體驗，真正讀懂科學現(xiàn)象；地下天上，助你走進科學殿堂。