3月23日,神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站,跨越400公里的距离进行“天地对话”,讲授“天宫课堂”第二课。
这次,“太空教师”主要在轨演示太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验,并介绍与展示空间科学设施。
水球变“冰球”
王亚平“点水成冰”变魔术
首次“天宫课堂”上,王亚平利用固水环制作了水膜、水球,并开展了一系列实验。而在第二堂课上,王亚平没有再借助其他器具,取出水袋后直接轻轻挤压,液体在管口出现结晶,经过处理后,王亚平再次挤出液体,液体球静静地悬停在空间站舱内。
接下来,奇妙的现象出现了,王亚平用蘸有粉末的小棒触碰液体球后,它开始“结冰”!
实际上,王亚平制作的“水球”成分是过饱和的醋酸钠溶液。将饱和醋酸钠溶液加热,它便有能力继续溶解更多溶质,再将“加料”后的溶液冷却,便得到了过饱和醋酸钠溶液。此时,如果没有新的溶质加入,它就会在水袋内稳定保持溶液状态,平安度过飞船发射的震动,顺利到达中国空间站。
但溶液并没有表面看起来那样平静,只需再加入一点点无水醋酸钠粉末,“水球”便会从粉末所接触的地方开始结晶,结晶过程中还会释放热量。因此,这个“冰球”其实是个“热球”!
如果在地面进行这项实验,过饱和溶液受到容器的限制只能向内结晶。而空间站拥有微重力环境,溶液不需要容器盛装就能在空中形成溶液球,从而观察到不受地球重力影响的材料物性变化。
在空间站里
用水造一座“桥”
在首次“天宫课堂”时,王亚平制作了一张漂亮的水膜,还将一朵与女儿一同制作的纸花放置在水膜上。在水表面张力的作用下,纸花沿着水膜表面慢慢绽放,成就了温馨又经典的一幕。
这次,同样是向孩子们展现水的表面张力,王亚平手持两片塑料板,叶光富向塑料板表面分别挤上水,两片塑料板逐渐接近,水便在板间连起了一座“桥”,王亚平将塑料板的距离拉远,“桥”也没有断开。这便是“液桥现象”。
其实在地面环境下,液桥也并不罕见。洗手时将两根湿漉漉的手指贴合,再缓慢分开一小段距离,指间会出现一段小液柱,这便是液桥。不过,由于液体表面张力很弱,在正常的重力环境下,液桥的尺寸通常难以超过几毫米。而在空间站微重力环境下,表面张力便能“大显神通”,可以维持大尺寸的液桥不会垮塌。
冰墩墩亮相“天宫课堂”
沿着直线“飞”了出去
北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”也亮相太空课堂,当起了“助教”。王亚平将可爱的“冰墩墩”吉祥物抛出,它并没有像在地面上一样掉落,而是沿着直线“飞”了出去。
这是空间站微重力环境最直观的体现,但如此简单的实验,为何一定要带到“天宫课堂”上?天宫课堂地面主课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健解释道,简单的平抛运动,在著名科学家牛顿的脑海里被放大到宇宙尺度。既然在地面上抛出物体的速度越快,它就能落到更远的地方,那如果抛出物体的速度足够大,它是否能成为环绕地球的卫星?
这个思想实验也被称为“牛顿的高山大炮实验”,由它引出的第一宇宙速度等概念,成为了发射人造卫星、空间站的重要依据。
这类思想实验在科学发展的历史中并不鲜见,伽利略通过理想斜面对接实验帮助人们认识了力与运动的关系,广义相对论中爱因斯坦用理想升降机提出了强等效原理……基于逻辑法则和事实基础开展的思想实验,对科学进步起到了重要的作用。
在空间站
水油不会自然分层
课堂上,在王亚平手中的小瓶中,装着水、油两种物质。在空间站环境下,晶莹剔透的油滴并不会像在地面一样上浮,而是与水相混合,这和首次太空授课时,水中泡腾片不断翻腾的气泡现象相互呼应。
不过,在叶光富用一根绳系住瓶子并快速旋转小瓶后,由于离心力的作用,水油则出现了分层。他们背后的原理都是在微重力环境下密度分层的消失,这是微重力环境最直观的应用。
为什么要把空间站的失重环境称为“微重力”呢?其实,空间站虽然拥有失重环境,但它并没有脱离地球引力。在距离地球约400公里的轨道上,空间站受到的重力大约是地面的88.5%,并没有显著小于地面。之所以空间站能形成微重力环境,是因为它具备极高的飞行速度,此时,重力成为了恰到好处的向心力,让空间站能围绕地球运行。但地球并非均匀的球体,空间站也并非速度恒定,因此空间站内的环境是“微重力”而非“零重力”。
答疑
有网友向神舟十三号航天员乘组提问:空间站里流眼泪是怎样的,会不会像果冻一样拉得很长?在“天宫课堂”的交流环节,王亚平回应道,在空间站飞行过程中,他们经历过许多激动、热泪盈眶的时刻,这时,眼泪无法像在地面一样流下,而是会在眼眶里打转,或者停留在眼角。
针对同学们“航天员的作息如何安排”的问题?翟志刚表示,在空间站,航天员每90分钟就要经历一次日出日落。在空间站中,既有北京时间,也有世界时间,还有相对飞行时间、绝对飞行时间等。根据任务不同,所采用的时间标准也不一样。在有人驻留的情况下,一般采用北京时间安排航天员的作息制度。
有网友提问:皮肤在太空会变好吗?王亚平解释道,空间站没有太阳光照射,温度和湿度也都控制在适宜范围内,另外在微重力环境下,体液会向上分布,皮肤也会随之向上提升,所以我感觉在空间站里皮肤状态很不错。此外,在空间站,护肤水之类的不能倒出来,要用特定装置挤压。
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