太空科学课（三）

太空熊猫君

相信很多同学都有过这样一个疑问：地球围绕太阳旋转得那么快，为什么不会飞出太阳系呢？其实类似的问题还有一个：中国空间站距离地表只有400多千米，为什么不会掉下来呢？这两个问题看似不同，其中包含的原理却是一样的。在第一次太空授课中，航天员王亚平为全国中小学生展示的太空单摆实验，就回答了这个问题。

单摆是中学物理课上常见的实验装置——用细绳吊起一颗小球，将细绳的一端固定在支架上，当我们拉起小球让它自由落下，小球会在竖直平面内来回摆动。而太空中的单摆则为我们展示了另外一种情形：王亚平轻轻推动小球，小球却开始绕着细绳的顶端旋转起来，做起了圆周运动。

其实，两种运动的本质很接近，都是惯性和细绳拉力的复合作用，只是地面上的单摆还受到了重力的影响，上升到一定高度以后被重力“拽”了下来，才形成了往复摆动的现象。不考虑空气阻力和摩擦力的影响，地面上的单摆运动是具有等时性的——它完成一次摆动的时间是一个定值，只和细绳的长度以及所在地点的重力加速度有关，和摆动的幅度及摆球的质量无关。

最早发现单摆等时性的科学家是伽利略，他在1602年的一封信中就提到过单摆实验。相传在1582年，还是比萨大学学生的伽利略在一所教堂中留意到了晃动的吊灯，他用自己的脉搏对吊灯的摆动周期进行测量，发现无论吊灯摆动的幅度是大是小，它摆动一次的时间总是相等的。为了探究这个问题，伽利略将单摆简化成斜面，设计了我们第一课讲过的斜面实验。现在，我们通过中学阶段的物理知识就可以很好地描述理想情况下的单摆运动了。让单摆进行往复运动的力其实是重力与细绳拉力的合力，当我们将小球拉到更高的位置，小球受到的合力会增大，小球的加速度也就越大。（有没有想到我们讲过的加速度定律？）虽然位置高，小球摆动的轨迹更长，但是更大的加速度让小球摆动的周期可以永远保持在一个固定值。

而在太空之中，这个问题反而会大大简化。如果我们只是拉高小球，由于没有任何力的作用，小球依然会在空中保持静止不动。我们用力推动小球后，小球本该由于惯性而保持匀速直线的运动，但是细绳会一直拉扯小球，让它无法继续沿直线运动下去，而是绕着支架做起了圆周运动，此时细绳的拉力就为小球的圆周运动提供了向心力。向心力不是具有确定性质的某种类型的力，而是一种效果力，它可以是弹力、摩擦力、电磁力……所有物体在进行圆周运动的时候指向圆心的力，都是向心力。

所以，重力当然也可以作为向心力。我们向前扔出一颗石頭，石头总会落在地上。如果你用力更大，石头获得了更大的速度，就会落在更远的地方。你可能会想，如果石头的速度足够快，会不会环绕地球甚至飞出地球呢？在火箭发明以前，这个设想只能是个“理想实验”，原因很简单：人类创造不出如此巨大的速度，但是这个想法却直接奠定了航天理论的基础。最早进行这个理想实验的人是牛顿，他设想了一架可以为炮弹提供非常大的速度的超级大炮，速度达到多少时可以让炮弹永远无法落到地面上呢？这个理想实验后来被称为“牛顿大炮”。牛顿分析发现，如果炮弹达到一定的速度，炮弹的重力正好等于向心力，炮弹就会环绕地球进行圆周运动。将重力公式G=mg和圆周运动速度公式F=mv2/R之间画个等号，让R等于地球的半径，可以算出来这个速度的值为7.9千米/秒，这个值就被称为第一宇宙速度。也就是说，如果航天器沿着地平线的方向发射，它的初始速度超过这个值并能保持速度，它就可以飞离地球。当一个物体在环绕地球运行的时候，运行轨道半径R大于地球半径，它所需要的速度v反而会更小。

所有的人造地球卫星、空间站，甚至是天体之间的绕行运动，本质上都是这个道理。在太空授课的画面中，我们看到天宫二号空间实验室内部是失重的状态，但其实它在环绕地球的运行过程中，也受到地球重力的吸引，为什么空间站之中还是失重状态呢？这就是因为地球的引力全部作为天宫二号圆周运动的向心力了！换句话说，天宫二号其实依然受到了地球的吸引，不过这个引力产生的加速度不在天宫二号的运行方向上，不会让它加速也不会让它减速，而是作用在与它运行方向垂直、指向地球中心的方向上，天宫二号其实是在不断地“坠”向地球，但是又不断被它向前运动的速度“拽”了起来，当“坠”的力和“拽”的力完全相等，天宫二号最终就沿着稳定的绕地轨道匀速飞行了。这种情况就像我们处在一个正在自由坠落的电梯里，尽管仍然会受到地球引力的作用，但也是可以体验失重的。目前正在太空中运行的中国空间站，距离地面高度约400千米，飞行速度约7.68千米/秒，略小于第一宇宙速度。

同样的道理，我们的地球以及其他正在进行圆周运动的天体，在形成之初就已经获得了非常大的初速度，如果没有外力影响，它们本应沿着直线无休止地运行下去，不过中心大质量天体的引力紧紧拉扯住了它们，为它们提供了向心力，就像太空实验中的小球被细绳拉扯，就只能老老实实地转圈圈啦！

你看，硕大如天体的运行规律，精密如航天器的发射运行，它们最基础的理论依据，都是我们可以理解的力学原理呢！

下一个太空实验中，王亚平为我们展示了失重环境下的陀螺仪，可别小瞧了这个东西，它可是大有用途呢！