作者：喬輝

10月12日下午15時45分，中國航天員在中國空間站進行了“天宮課堂”第三課授課，這也是神舟十飛行乘組航天員陳冬、劉洋和蔡旭哲在空間站度過4個月多的太空生活后，首次太空開課。

直播開始時，航天員對“問天”實驗艙進行了介紹，并講述了里面各種類型實驗柜的原理。介紹完“問天”實驗艙的基本情況后，接下來就進入了有趣的實驗環(huán)節(jié)，這些實驗包括：毛細效應(yīng)實驗、水球變“懶”實驗、太空趣味飲水和會掉頭的扳手實驗。這些實驗背后是什么物理原理呢？下面我們來逐一分析一下。

第一個實驗：毛細效應(yīng)實驗

在地面上，當我們把一根細的玻璃管插入水中，玻璃管里面的液面就會上升。你有沒有發(fā)現(xiàn)這樣一個規(guī)律：玻璃管越細，液面上升得越高，這也是人們稱呼這種現(xiàn)象叫“毛細現(xiàn)象”的原因。從本質(zhì)上看，這其實是毛細管內(nèi)水的表面張力和水的自身重力平衡的結(jié)果。毛細現(xiàn)象有很多應(yīng)用，比如鋼筆就是利用毛細原理為筆尖提供油墨的。

在太空中，由于感受不到重力的作用，只有表面張力的作用，表面張力就可以一直拉著水在玻璃管內(nèi)運動，無論管子粗細，水都能慢慢充滿整個管子，只是細的管子充滿的速度較快而已。在空間站的這次實驗中，陳冬老師把三根粗細不同的管子插入水中，三根管子中的液體都能上升到管子的“頂部”，只是細管子上升得最快。

第二個實驗：水球變“懶”實驗

在空間站上，如果把一團水擠在空中，還是由于表面張力的作用，在空中就可以形成一個大水球，為了固定水球，可以把它放在一個帶圓圈的支架上。但這種大水球是不穩(wěn)定的，劉洋老師用大注射器吹一下，水球就晃動不停。但當把一顆大鋼球放入水球中，水球就很快停止下來了，這是什么原理呢？其實，這個原理在生活中也很常見，當我們端一碗水的時候，水會晃動的挺厲害，但當我們把一張紙放入水中，水的液面就不容易晃動了。無論是空間站上的水球，還是地面上碗中的水，都是由于加入了其他固體產(chǎn)生了額外的“阻尼作用”，能量容易耗散，就能更快穩(wěn)定下來。

第三個實驗：太空趣味飲水

你知道在地面上如果用細長的管子喝水，管子最多能多高嗎？有外國朋友曾經(jīng)做過這個實驗，使出吃奶的勁，結(jié)果只能勉強吸到4米的高度。

理論上，即便用機器吸，水在管子中上升的高度也只能達到10米，這是由于大氣壓只能支撐10米高的水柱，這個道理初中物理上就講過啦，這里就不多說了。在太空中，劉洋老師用2米長的吸管，非常輕松就能喝到水，也是由于在太空感受不到重力，水不會產(chǎn)生壓強的原因。

第四個實驗：會掉頭的扳手

這個實驗非常神奇，當陳冬老師讓一個扳手旋轉(zhuǎn)起來后，扳手會不停地翻跟頭。這是蘇聯(lián)航天員賈尼別科夫在空間站中偶然發(fā)現(xiàn)的，所以也叫賈尼別科夫效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象與扳手的旋轉(zhuǎn)方式和它質(zhì)量的分布有關(guān)系。這個現(xiàn)象在地面不太容易看到，但是在太空中這就是小菜一碟。

實話講，這種現(xiàn)象其實不大容易科普，這是因為要用到大學物理中的“轉(zhuǎn)動慣量“和“角動量”的概念。簡單來講，扳手沿著不同的軸旋轉(zhuǎn)的時候，轉(zhuǎn)動慣量是不同的。科學實驗表明，只有扳手沿著最大轉(zhuǎn)動慣量和最小轉(zhuǎn)動慣量的軸旋轉(zhuǎn)的時候，才是穩(wěn)定的狀態(tài)，沿著其他軸運動都是不穩(wěn)定的，會發(fā)生不穩(wěn)定的翻跟頭現(xiàn)象。但值得注意的是，這個系統(tǒng)的角動量還是守恒的，無論扳手如何翻轉(zhuǎn)，其角動量是不變的。

大家有沒有注意到，這次太空實驗的內(nèi)容和前兩次太空實驗一樣，都是以物理實驗為主，這是什么原因呢？這是由于空間站上的環(huán)境與地面的環(huán)境最大的不同就是太空中有微重力環(huán)境，由于微重力是與物理密切相關(guān)的現(xiàn)象，所以太空中展示的實驗以物理為主就不足為奇了。

（來源：大象科創(chuàng)局）

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