錢江晚報·小時新聞記者 鄭琳

12月9日，同學們迎來期待已久的太空授課。神舟十三号乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在空間站進行太空授課。時隔8年，大家有幸再一次看到航天員的太空“網課”，體驗科學的魅力。

在這次的太空課中，大家看到了王亞平姐姐再現8年前太空課上的經典場面：永遠旋轉的陀螺和漂在空中的水球。不過，這回我們看到了更多神奇的畫面：乒乓球在水中的浮力消失，紙花在水球表面綻放，泡騰片在水球中産生大量的氣泡……

這次太空授課包含物理、化學、生物多門科目的實驗，實驗尺度也從宏觀到微觀，知識深度也實現從小學到高中甚至大學的全覆蓋，讓同學們對微重力環境心生向往。

那麼，這些太空中的實驗現象背後都是什麼科學原理呢？本期我們邀請了杭二中物理老師王恺來為大家解讀！

太空轉身為啥轉不過來

在“天宮課堂”上，航天員葉光富在太空中表演了如何行走和轉身，他的動作讓很多同學捧腹大笑。但大家有沒有想過，平時在地面上非常容易的走路和轉身，為何到了太空裡竟然那麼艱難？尤其是轉身的動作，葉光富簡直“失敗”了好幾次，而且每次他扭轉上身，下身就會不由自主往另一個方向扭過去，這又是為何？

王恺說，我們在地面上之所以能輕松前進和轉身，是因為地面有摩擦力。而失重狀态下漂浮在空中的航天員沒有了摩擦力的幫助，轉動身體自然就變得很困難。因為此時，航天員的角動量守恒，所以當上半身向左轉動，下半身就會向右轉。航天員可以通過轉動手臂使身體轉動，這也是因為整體的角動量守恒。

在我們生活中，角動量守恒也有很多體現。

比如，大家是否注意過，一架普通的單旋翼直升機的尾部，都有一個側向旋轉的螺旋槳。如果沒有這個螺旋槳，主機翼高速轉動就如同航天員轉動的手臂，會使得直升機主體反方向轉動。而尾翼螺旋槳則可以對直升機産生等大反向的作用，從而保持直升機具有穩定的飛行姿态。

還有一種雙旋翼的直升機，它的兩個旋翼的轉動方向也是相反的，這也是為了保持直升機的平衡穩定。

乒乓球為何逃不出“水心”

在我們生活的地球上，一隻乒乓球放入水中會很自然地浮起來。如果同學們會遊泳，跳入水中也能明顯感覺到水給我們身體的浮力。看着在空間站“飛行”的航天員們，是否就是在享受浮力呢？

并非如此，相反，浮力在太空中其實是消失了。這次太空課裡，王亞平老師就給我們演示了乒乓球像一個蛋黃一樣安靜地呆在水裡，完全不會飄起來。

為什麼太空裡沒有浮力了呢？

原來，處在液體中的物體所受浮力的來源是上下表面的壓力差。液體深度越大，壓力就越大，它的根本原因是液體受到重力作用，下部的液體需要給上部液體提供支持力，才能平衡上部液體的重力。這就是浮力。

既然浮力産生的原因就是因為有重力，那麼在太空中，處于失重狀态下的液體自然就沒有浮力。

水膜是怎麼讓紙花開放的

在“天宮課堂”上，王亞平還用一朵女兒做的紙花，給大家展示了神奇的水膜張力——紙花在水球的表面綻放了！這個水膜張力的實驗在上一次太空課裡也有呈現，隻不過這次呈現的方式更為絢麗。

一般情況下，液體會有減小表面積的傾向，這種作用力被稱為“表面張力”。在失重環境下，表面張力可以維持液體的形狀，不會散開，并且趨向于球形。這是因為，相同的體積下，球體表面積是最小的。

所以，在王亞平做的實驗中，那個還沒有形成正球體的水泡在逐漸變得越來越圓。當我們把一朵紙花貼在水面上， 它就随着鼓起來的水球慢慢“綻放”了。

在生活中也可以在一種叫“超疏水”的表面上觀察到球形的水滴。

比如，荷葉表面就是超疏水表面。荷葉能“出淤泥而不染”，正是因為它表面特殊的材質使得水滴在上面接近球形，并且很容易滾落。有時也能在湖面觀察到一種在水上快速移動的小蟲，叫水黾，它們能“水上飄”，也是利用液體的表面張力。

透過水球，人怎麼就倒過來了

水球光學，這個實驗也出現在前一次天宮授課之中。水球在失重環境下由于表面張力的作用保持形态，并且由于其折射率和空氣不同，從而使得光線在穿過時産生折射，形成彙聚效果，這就形成了一個凸透鏡。

兩倍焦距以外的物體在穿過凸透鏡後看來就呈現倒立的像，所以我們可以看到，王亞平和葉光富之間的那個水球，會讓眼中的彼此呈現一正一反的視覺效果。

其實，我們可以在地面上用透明的水瓶裝滿水模拟這個實驗：在一定距離外，透過水瓶所看到的世界是左右颠倒的。

在水球中注入空氣球形成“雙重人像”的實驗有很高的操作難度。由于失重，空氣球不會因為受到浮力而移動。在注入空氣球後，由于空氣球的半徑更小，水球的半徑更大。若透過水球中的空氣球觀察物體，空氣球前後的水相當于形成了兩片凹透鏡，使得光線穿過時發散，從而可以觀察到正立、縮小的物體。在一定距離外，透過近視眼鏡片也可以觀察到類似的現象。

泡騰片的泡泡竟沒到處“亂跑”

泡騰片是生活常見的物品，學生在生活中能夠很容易重複實驗。泡騰片在水中溶解後發生化學反應産生二氧化碳氣泡，由于失重，大部分的氣泡停留在液體球中，極少部分的小氣泡由于速度較快脫離水球，從而釋放出香味。

我們的後台還收到了兩個同學們提出的問題：在無重力的情況下，泡騰片扔進水裡會不會又自己飄出來了？在無大氣壓強的環境中，泡騰片的氣泡還會升上水面破裂嗎？

對此，王恺老師說，泡騰片扔進水裡在初速度不快的情況下是不會飄出來的，這也是液體表面張力的結果，“可以看到視頻中裝在杯子裡的水也不會散得到處都是，也是這個原因。”

因為在沒有重力的情況下，泡騰片的氣泡不會升上水面；但是如果沒有大氣壓強，處于真空狀态，水會直接沸騰變成水蒸氣，“液體的沸點是和氣壓有關的，氣壓越低，沸點越低。這就是為什麼高原地區很難煮熟飯，有時需要使用高壓鍋來烹饪。”

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