太空转身不容易

赵二刚 兰海越

2021 年12 月9 日，“天宫课堂”开课。“神舟”十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国“天宫”空间站为全国青少年学生上了一堂有“高度”的科普课。在60 分钟的“天宫课堂”中，航天员们为大家展示了在轨工作生活场景、太空细胞学研究、太空转身、浮力消失、水膜张力、泡腾片等众多有趣的小实验。

在这些实验中，太空转身尤为神奇和令人费解。航天员叶光富在完全不接触舱壁的条件下，尝试各种方法转身。首先，他想像在地面上那样左右扭腰直接转身，但当上半身向左转时，下半身却并未跟随转动，而是向右转去，身体拧在一起，转身失败。随后，他又分别尝试了游泳动作转身和吹气转身等，结果均不理想。接下来，在王亚平的建议下，叶光富抬起一侧手臂连续快速划圈，这时神奇的一幕出现了——他的身体开始转动，实验终于成功了。太空转身完成后，叶光富还演示了伸缩手臂与身体自转快慢关系的小实验。自转时他伸开手臂，转速变慢；收缩手臂，转速又会变快。

在地面上一个平平常常的转身动作，为何在太空微重力环境下却如此大费周章呢？其实这些现象都与物理概念——角动量及角动量守恒有着密切的关系。角动量指一个物体的转动惯量和角速度之间的乘积，通俗地讲，角动量描述了一个物体的转动情况。同一个物体，转速越快，角动量越大；而当转速相同时，转动惯量越大，角动量越大。角动量守恒指一个物体在不受外力或外部力矩合力为0 时，它的角动量不变，不会无故转动起来或突然停止转动。

在太空微重力环境下，人体悬浮在空间站内，几乎不受外力的影响，因此可以认为整个身体的角动量守恒。当叶光富上半身左转时，因角动量守恒，其下半身会自动右转，以抵消上半身的左转，从而保持整个身体角动量为零。这就是叶光富在最初采用类似地面的扭腰方式未能完成转身的原因。

叶光富左右扭腰并不能实现转身，当上半身向左转时，下半身会向右转。

其实，这个现象我们在地面上也能进行模仿。找一把平稳结实、转动灵活的转椅，坐在上面双脚离地，扭动身体转向，你会发现很难完成。当手臂与上半身向左转动时，椅子会相应向右转动；恢复动作后，椅子会基本回到原始方位。通常多次连续尝试后，身体会小幅转动，但其原因并非不遵守角动量守恒，而是因为转轴处有摩擦，使椅子一点点偏移而转动。

至于伸缩手臂控制自转速度的实验，更是角动量守恒的经典案例。物体匀速转动时，其角动量恒定，转动惯量越大，角速度越小；反之，角速度越大。当叶光富手臂伸展后，质量远离身体质心，转动惯量变大，角速度变小，自转变慢；当他手臂收缩靠近身体后，质量靠近身体质心，转动惯量变小，角速度相应变大，自转加快。北京冬奥会即将开幕，大家可以在欣赏花样滑冰时，观察到这一现象——在光滑的冰面上，花样滑冰运动员做自旋动作时，伸展四肢时自旋变慢，收缩身体时自旋变快。一些优秀的运动员，能通过伸缩肢体自如控制自转速度，给人带来艺术的美感。

花样滑冰运动员通过四肢的伸缩，即可控制自转速度。

最后回到用手臂快速划圈实现转身的实验。媒体报道时都给出了一个简单的原因——角动量守恒，但大都没有更详细的说明。其实仔细分析会发现，这个转身的过程相当复杂。实验中，叶光富快速挥动手臂顺时针划圈后，身体其余部分会向相反方向转动，表现为上半身俯向下转动；随后他逆时针挥动手臂，上半身又会后仰向上转动。该过程与扭腰动作类似，都是全身角动量守恒的体现。但为何此时身体会随之左转或右转，却并不能非常直观地用角动量守恒原理进行解释。因为手臂挥动的平面与身体左右转动的平面是近似互相垂直的关系，所以有人据此提出这一现象与陀螺的进动有关。快速挥动划圈的手臂，可看作一个陀螺，应遵循陀螺的运动原理。在地面上，受重力影响，陀螺会产生明显的进动效应；而在太空微重力环境下，又会出现什么现象呢？

对于叶光富用手臂快速划圈实现转身的实验，你觉得如何解释更好，欢迎共同探讨。

B 站主播“力学Nerd 王小胖”分析手臂快速划圈转身的原理示意图

陀螺在航空航天领域应用广泛，飞机的惯性导航系统、“天宫”空间站的姿态控制系统都有它的身影。