“天宫课堂”，余音回响（上）

2022-04-24南京市玄武高级中学张军

科学大众 2022年6期

□文/南京市玄武高级中学张军

2021年12月9日15时40分，“天宫课堂”在中国空间站准时开课。“神舟十三号”乘组航天员王亚平、翟志刚、叶光富这3位“站位很高”的老师，给全国青少年带来了一场精彩绝伦的科学盛宴。此次太空授课结束后，同学们依然很好奇：航天员失重到底是怎么回事？空间站里的健身器材究竟有什么奥妙？空间站为什么不会掉下来？太空转身实验能在地球上演示吗？今天，张老师就和大家聊聊相关话题。

空间站里的航天员真的不受重力吗

我们的“重力”概念，来自在地球表面的生活经验。

万有引力定律告诉我们，任意两个有质量的物体之间都存在引力，引力的大小与物体质量的乘积成正比，与物体间距离的平方成反比。但是，我们为什么没有感受到树木、讲台、公交车对我们的引力呢？因为这个力实在太小了。不过，当你从地面跳起时，地球对你的引力会把你拉回地面。天体间的引力就非常大了，太阳与地球之间的引力可以将直径为9 000千米的钢柱拉断。

用线拴住小球，把它抡起来做圆周运动。此时如果把线剪断，小球就会飞出去。做圆周运动的物体，必须有一个指向圆心的力来保证，这个力叫向心力。地球绕太阳转动，向心力是太阳对地球的引力提供的；月球绕地球转动，向心力是地球对月球的引力提供的；小球绕着你的手做圆周运动，向心力是绳子的拉力提供的。

地球在自转，带着地面上的所有物体，包括你、我、高山、大海、高楼大厦，一起绕地轴做圆周运动，这个向心力是地球对我们的引力提供的。

忽略其他次要因素，我们来对地表物体所受的引力做一个简要分析。

把地球看作球体，则地心O就是球心，O′是物体绕地轴转动的圆心，F是地球对物体的吸引力，力的方向指向地心O（图1）。力F产生了两个效果，一是提供向心力F1，让物体绕着圆心O′做圆周运动；二是让物体有竖直向下掉落的趋势，这个力就是重力G。若把物体放在支撑面上，支撑面阻碍了物体的掉落，并与物体相互挤压，彼此发生形变。物体要恢复原状，对支撑面产生压力；支撑面要恢复原状，对物体产生支持力，这两个力其实都是弹力。若把物体系在绳子下端，绳子会阻碍物体的掉落，被拉长的绳子要恢复原状，对物体产生的弹力就是拉力。

图1

所以，我们真正感受到的不是“重力”，而是支持力、拉力。苹果熟了从树上掉下来、水往低处流等现象，也会让我们意识到重力的存在。

在谈论重力时，要考虑两种极端情况。一是物体位于南极点或北极点时，圆周运动的半径为零，不需要向心力，地球对物体的引力都表现为重力，这时物体所受的重力最大；二是物体位于赤道上方时，圆周运动的半径最大，需要的向心力也达到最大，导致重力达到最小。所以，物体所受的重力大小随地理位置变化，但质量是不随地理位置改变的。

有没有引力都用来提供向心力的情况呢？有的。当同步卫星在轨道运行时，并没有像板凳、桌面那样的物体来提供支持力，或者由绳子提供拉力，这时地球对卫星的万有引力都用来提供向心力，就感受不到重力了。同理，空间站里的人和物，与空间站一起绕地球做近似圆周的运动，地球施加的万有引力几乎都用来提供向心力，这时即使把物体放在桌面上，桌面对物体也没有支持力，当然物体对桌面也没有压力。人站立在地板上，地板对人没有支持力，人对地板也没有压力，就好像重力不存在了。这就是我们所说的失重现象，表现为拉力或支持力等于零。

理论上，把空间站和里面的所有物体看成整体，每一个时刻，这个整体中只有一个点（质心）是完全失重的（零重力状态），其余部分还会受到微乎其微的、难以感受到的重力，即微重力。所以，空间站是微重力环境，航天员所受的重力极其微小，人体几乎感觉不到。

地面上也能感受到失重和超重，典型的例子是乘坐电梯。电梯开始向上运动时是一个加速过程，地板对我们的支持力大于我们的重力，我们会感觉腿部支撑的重量增加——这是超重现象。轿厢停下的那一瞬间是减速运动，地板对我们的支持力小于我们的重力，人会觉得有点飘，感觉腿部支撑的重量减少了——这是失重现象。

我们可以用弹力测力计吊着物体来模拟电梯的上升过程。由静止突然向上运动时，拉力大于重力；匀速上升时，拉力等于重力；减速停止运动时，拉力小于重力。

载人航天器在加速升空时处于超重状态，支持力可能是人体重力的好几倍，人体的大脑、骨骼、血管、内脏都要经受极限挑战。过山车上升阶段的支持力可达到人体重力的2倍，此时有的人就头晕眼花甚至呕吐了。因此，航天员的身体素质必须远超常人，被选拔后，还要进行4年以上的系统训练。

过山车往下俯冲时，失重的体验也比乘坐电梯要明显得多（图2）。大型游乐场的离心机和落塔项目的失重体验更真切。美国、俄罗斯、欧洲等地，还有专门体验失重的商业服务，一次费用大概几千美元。

图2

航天员在地面如何进行失重训练

在地球上模拟微重力环境，主要有3种设备。

第一是游泳池。航天员在潜水员的协助下，在巨大的游泳池中模拟太空行走和工作（图3）。充气马甲与配重配合，让浮力和总重力平衡，航天员处于悬浮状态，感觉类似于太空中的失重。但是，水下悬浮与真正的空间站体验还是有很大差别：水中动作的受阻感明显，在空间站里则几乎感受不到阻力；在水中可以判断自己是正立、倒立还是倾斜的，但在空间站里，上下、正倒的概念都不存在了。

图3

第二种是俯冲的飞机。飞机向下俯冲时，航天员会失去支持力和拉力，体验到失重。飞机轨迹是连续波浪状的开普勒抛物线，每次训练时，飞机会飞二三十个抛物线，每个抛物线可以有二十几秒的失重时间。

第三种是落塔。许多国家都建有落塔，我们的国家微重力实验室也有一座用于设备测试的落塔，设备从83米高处自由落下，可以获得3.6秒的微重力时间。

空间站健身器材暗含哪些物理知识

为防止在微重力环境中身体机能严重受损，航天员每天必须花一定时间进行锻炼。

在地球上，哪怕你不锻炼，肌肉和骨骼也时刻在对抗重力，相当于“锻炼”一直在进行。我们的锻炼，很多是在对抗“阻力”中完成的。比如，用哑铃或杠铃健身（图4），对抗的是重力；引体向上，对抗的也是重力；俯卧撑，对抗的还是重力。这些锻炼方式在空间站全都用不上。但是，在微重力条件下，发生弹性形变的物体依然能产生弹力，物体间挤压并发生相对运动时依然产生摩擦力，分子间依然有相互作用的引力和斥力，磁极间依然有相互的吸引或排斥，液体的粘滞阻力依然存在……把这些力变成“阻力”，就可以进行锻炼了。

图4

把弹力当成锻炼的“阻力”，是最常用的方法之一。我们在地球上也用克服弹力的方式来锻炼，比如使用握力器、拉力器训练力量（图5）。在空间站，四肢或身体其他部位在拉伸、压缩、扭曲、弯曲弹力设备（弹簧、弹力绳等）时，会有“用力”的感觉，肌肉和骨骼可以得到锻炼。航天员的企鹅服中暗藏许多弹力拉带和调节环，可以使航天员的身体长时间保持一定的张力，也是同样的原理（图6）。

图5

图6

在地球上，堵住针筒小孔、拉动活塞时会觉得费力，这是空气压力造成的。空间站内部也有气压，有一种深蹲设备就是利用大气压力作为“阻力”来进行锻炼的。

在空间站利用跑步机进行锻炼时，需要用马甲等设备把人拽压在跑步机的跑带或滚筒上，这样肩膀、臀部、脚部才会感觉到压力和摩擦力，脚才能真正地跑起来。跑步机下面要采取减震措施，以免对仪器设备的正常使用造成干扰。这次太空授课中，王亚平给大家示范了如何使用自行车来锻炼腿部或手臂（图7）。自行车内部可以有多种设计，比如使用电磁力或摩擦力作为阻力，用类似于杠杆、齿轮、传动皮带的装置来传动，阻力大小也可以有多种方法调节。上肢或下肢在骑行时必须固定住，否则反作用力会让人飘离骑行台。

图7

知道了这些原理，我们还可以设计更多的空间站健身设备。

空间站为什么不会掉下来

将瓶装水举到高处，放手时，瓶子会掉下来。用绳子拴住瓶口，手拉住绳子，让瓶装水在竖直平面内做圆周运动，这时瓶子在高处就不会掉落了（图8）。

图8

同样的道理，空间站以一定的速度环绕地球运动时，也不会掉下来。月亮绕地球运动，不会掉到地球上；地球绕太阳公转，也不会掉到太阳上。

物体被绳子拉住在空中做圆周运动，绳子的拉力提供了向心力。绷紧的绳子一端由我们的手拉住，另一端由物体在拉着——但是，是什么力把物体向外拉呢？转动的速度越大，我们感觉向外拉的力就越大，这只“无形的手”就是离心力。离心力是一种虚拟力，沿着半径方向远离圆心，使旋转的物体远离旋转中心，但是你找不到施力物体。

想象我们坐在大转盘上，转盘转动时，我们会感觉某种力量想把我们推下圆盘，这就是离心现象。转速较小时，摩擦力可以提供向心力，人不会被甩离转盘；转速变大，所需的向心力也变大，当摩擦力不足以提供向心力时，人就被甩离圆心。我们可以做一个类似实验，把物体放在转台上，快速转动转台时，物体就会被甩出去（图9）。产生离心力或离心现象的真正原因，是物体自身的惯性。

图9

离心现象在生活中很常见。洗衣机的甩干筒高速转动时，湿衣服就会被甩向四周，衣服被筒壁挡住，水从筒壁的小孔中被甩走。转动雨伞时，伞面上的水珠也会被甩出去。实验室分离制备生物大分子，核工业进行铀浓缩，都离不开离心机技术，离心机就是利用离心力进行工作的。

实际上，所有做曲线运动的物体都受到离心力。汽车转弯时做曲线运动，如果速度太大，也会被“甩”出路面。摩托车赛车手在转弯时，身体会侧向运动轨迹的内侧，却不会倒向地面，因为离心力正在向外侧牵引着他（图10）。

图10

找一段结实的、伸缩小的绳子，让绳子穿过一小截PVC管。绳子一端系着质量小一些的物体，比如小瓶瓶装水；另一端系着质量大一些的物体，如大瓶瓶装水或多瓶瓶装水。握住PVC管甩动，让绳子拉着质量较小的物体做圆周运动。随着转速增大，圆半径增大，离心力也增大——质量较大的重物被绳子从地面拉了起来（图11）。这表明，离心力随着转速增大、转动半径增大而增大。

图11

空间站绕地球做圆周运动时，既受到地球引力提供的向心力，又受到与向心力方向相反的离心力。当二者平衡时，圆周运动是稳定的，空间站既不会远离地球，也不会掉落。如果空间站的环绕速度变大，离心力就会变大，会导致空间站被甩离地球；如果空间站的环绕速度变小，离心力也会变小，空间站高度就会下降。空间站的轨道高度一般在距离地面400千米附近，在这样的高度，空间站仍然会受到稀薄空气阻力的影响，导致轨道半径不断减小，如果不进行变轨重回轨道，空间站高度就会不断下降，最终掉落地面。所以，空间站上必须配备火箭发动机，利用燃料助推，对轨道进行修正。

我们在游乐场坐旋转飞机或过山车时，也会体验到离心力。旋转飞机转得越快，你就越有被往外甩的感觉。

在地面上能体验“太空转身”吗

“天宫课堂”中，叶光富老师尝试用不同方法转身——模仿地面上转身动作不奏效，采用游泳姿势不奏效，用嘴吹气也不奏效，最后采用右臂画圈圈的方法，终于转过身了（图12）。

图12

太空转身包含着角动量守恒的知识。初中物理提到的运动一般指平动。平动时，物体上任意两点运动前后的连线保持平行，比如在平直公路上行驶的汽车、在汽缸中做往复运动的活塞。惯性让物体具有保持原来运动状态不变的性质，如短跑运动员跑到终点不能立刻停下来，刹车时司机和乘客会倒向前方，子弹出膛后还可以继续飞行一段距离，等等。物体的质量越大，惯性就越大，运动状态就越难以改变。物体转动时同样有保持转动状态不变的性质，这个性质不用惯性来描述，而是用转动惯量来描述。

如果没有额外的力来加速物体转动或阻碍物体转动，则物体的角动量守恒，这是自然界的普遍规律。转动惯量增大，角速度就会减小；转动惯量减小，角速度就会增大。

让一位同学双手各握着一个哑铃，站到转台上，推着他让他和转台一起转动起来，他便具有了一定的角动量。转动过程中，让他把手臂向两侧伸直——质量分布向外侧移动，会导致转动惯量增大，角速度就会减小——他的转动便慢下来。让他将两手向胸前靠拢——周围的质量向中心移动，会导致转动惯量减小，角速度就会增大——他的转动立马加快。

花样滑冰运动员需要增大转速时，会将双手收缩回来抱到胸前，而要让转动慢下来时，则尽量将身体舒展开，也是同样的道理（图13）。在空间站里，叶光富老师直观地给我们演示了这个现象。由于空气阻力非常小，他身体的转动显然流畅得多。

图13

直升机起飞时角动量为零，升到空中时角动量也应该为零。旋转的巨大螺旋桨会产生一个角动量，导致机身反转——产生一个相反的角动量来抵消螺旋桨的角动量。这与叶光富老师在空间站中发生的情况相同——他的上半身左转时，产生一个角动量；同时他的下半身会随之右转，产生一个相反的角动量，来抵消上半身的角动量。

我们也可以设计一个实验来模拟。让一位同学站在转台上，转台施加的支持力与他所受的重力相平衡，相当于没有重力干扰，他的角动量应当保持零不变（忽略转台内部的摩擦）。当他将上半身往左转时，他的下半身会同时向右转。如果他的上半身向右转，下半身就会同时向左转。让他将手臂从后向上、向前旋转起来，他便会慢慢地转身了。改变手臂的旋转平面，转动的快慢会发生变化。让手臂从前向上、向后旋转，身体的转动方向也会改变。

还让那位同学站在转台上，双手向前伸直，从两侧握住自行车车轮的轴。原先他和车轮、转台都是静止的，现在让车轮转动起来，你会发现他慢慢地转身了！改变车轮的转动方向，他转身的方向也改变了（图14）。