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科普新篇-3：太空中的力学——为“神十”太空授课作铺垫精选

已有 16112 次阅读 2013-6-16 09:57 |个人分类:科海随笔|系统分类:科普集锦| 神舟十号, 太空授课, 微重力科学

6月11日17点38分，神舟十号如期升空，引起国内外广泛关注，国人为之欢欣鼓舞。

神舟十号发射前夕，我国载人航天工程新闻发言人武平告诉大家：“航天员将首次向中小学生开展太空授课和天地互动交流等科普教育活动，这将成为神舟十号飞行任务的一大亮点。”（参看[1]）。我为创造这个大亮点的人们喝彩叫好！据悉，此举是国内首创，全球第二次。2007年，世界第一位在太空授课的美国女教师芭芭拉·摩根乘坐“奋进”号航天飞机造访国际空间站，除了负责完成部分专业任务外，摩根还开设“太空课堂”，与地面上的学生“天地连线”，通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景，成为那次任务的最大亮点（见[1]）。

6月12日，《中国科学报》在第一版发表“科学时评”：《太空授课带来新期待》，介绍了授课计划，表达了国人对此次太空授课的热忱和期望（参看[2]）。文中指出：“在神舟十号载人飞船发射这样举国关注的事件之中，增加科普教育内容，让很多人惊喜。”作者还说：“也许是因为条件和时间所限，也许因为更关注教育，本次太空授课主要针对中小学生。其实，就科普而言，成年人也是重点。期待今后的类似活动能增加对成年人的安排。……另一个期待是，各学科领域都像航天领域这样，能主动做更多科普。”

为了给这次太空授课作铺垫，也为了弥补上述缺憾，本文着重向文化程度高于中学水平的成年人讲述可能与这次授课有关的一些科普知识，以期提高此次授课的效益，获得更多的受众的欢迎。

太空授课的看点何在？

据媒体透露，授课内容主要是使青少年了解微重力环境下物体运动的特点，了解液体表面张力的作用，加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。航天员将进行在轨讲解和试验演示，并与地面师生开展双向互动交流。授课地点在“天宫一号”，持续时间为40分钟。

关注这次授课的朋友们会问：其中的看点何在？怎样最大限度地获得教益？最有效的办法是：带着探索热情和满脑袋问题走进天地间的大课堂。那么，该带些什么问题去上课呢？至少有：

——飞船所处的微重力环境从何而来？

——微重力环境会带来哪些奇特现象？

——为什么质量相同的物体在地面上和在太空中的行为如此不同？

——为什么太空舱里人或物一不固定就会飘浮起来？为什么会失重？

——表面张力是什么？为什么地面上“作用力剧团”中的这个“小角色”会在太空中“唱大戏”？

对于这五个问题，“太空老师”王亚平会做出浅显生动的回答，并给青少年朋友种种好玩的直观的演示。据笔者获得的信息，她上课的方式与大多数老师不一样。至少有如下特色：

1、教具特别。还记得去年“神九”航天员迅速地组装的那辆太空自行车吗？还记得第一位女航天员刘洋蹬着它的飒爽英姿吗？这回，它摇身一变，成了王亚平授课的特殊教具，且不说它的独一无二的怪摸样，扶手、车铃，啥也没有，而且骑手拼命蹬着它，它却纹丝不动，并且骑手还得把自己跟它“组装”在一起。骑车的姿势也有点怪：一只手总扶着墙。要不是这样，不受制约自行车会满屋子飘游，而骑手呢？也会自顾自地到处游荡。这就生动地告诉听课者，微重力环境下的“失重”是何等厉害的角色，你不得不处处小心提防。

2、内容特别。不管讲什么，王老师总会先给你演示好玩的现象。比方说，地面上有一个装了水的杯子，你不去动它，水就乖乖地呆在杯子里；想喝了，端起杯子就喝；在天宫里可不行，得用管子从杯子里吸水，喝完水（不，应该说吸完水），倘若不拧紧杯盖，水就会呼啦呼啦自己跑出来，到处乱飘。这可不得了，水珠飘进精密仪器里可就闯大祸了。怎么来收拾这些飘浮的水珠？航天员有诀窍，一下子就可以把它们制服。谜底何在，我也不知道，就等王老师授课时揭晓了。

3、讲法特别。你会发现王老师讲课的方式跟自己平时的老师不大一样，她不讲大道理，更不会让你记公式、背定律。她会告诉你，在太空中肥皂泡会不会破？物体的质量与重量是怎么回事？让你在不经意间学到很多物理知识。

这样的授课，谁不期待？

知识面较宽的成年朋友可以一边听课，一边提出更多深层次的问题：

——微重力环境下主要有哪些作用力参与平衡、导致运动？

——在太空舱里除了失重以外，还会有什么怪异现象？

——有哪些事情人类在地面上做不到，而在太空中却能轻易做到？

——为什么在空间飞行器中做拉单晶、培育种子等事情特别棒？

——太空舱里的对流、分散、沉淀、扩散等输运现象与地面上有何差别？

——地面上能模拟太空环境吗？怎么模拟？

——今后的航天科技发展会朝哪里走？

如此等等。基础知识越丰富，越能提出形形色色的更多的问题，越能在此次太空授课中获得更多的启示。

微重力环境从何而来？

青少年朋友会问：为何人在太空舱中能到处飘浮，而在地面上不借助工具却怎么也飘不起来？这是因为地面上的重力把我们牢牢“绑”在地球上了。

学过中学物理学的人都知道，凡是物体都有质量，而质量是其固有属性，从物理学角度看来，是物体惯性的一种量度；大家还知道，空中落下的物体会经受重力加速度，在厘米克秒单位制中常用的近似值为980厘米/秒²，在地球上的各处，重力加速度有微小差别。重量是物体的所受的重力，其值是物体的质量乘以重力加速度，同一物体在地面各处的重量有些许差别。

然而，倘若脱离了地球，跑到别处去，情况就不一样了，比方说，人到月球上后，重量变成地球上的重量的六分之一，因为月面上的月心引力是地面上的地心引力的六分之一。会跳高的青少年朋友在地面上一般能越过一米高度吧！那么一到月面，就能轻松地越过六米。设想一下，有一艘巨大无比的飞船，在神舟十号轨道上飞行，里面设一个跳高场地，随便哪个瘦弱小子在那里纵身一跳，就能跳出十万八千里，比神话中孙悟空还有能耐。

这是为什么？

因为在太空舱里有微重力环境，“重力”微乎其微。我们就从微重力环境说起吧！

什么是微重力？简单地说，它代表一种受力环境，在该环境中的有效重力水平极低。低到什么程度？低到有效重力水平为地球表面重力的百万分之一，严格地说，这才算是微重力。目前对微重力有许多广义的理解，常把微重力理解为微小重力或低重力，有时衡量标准也稍稍放松一点，例如，在后面要提到的落塔试验中，有效重力水平达到地面重力的十万分之一，就算是微重力状态了。

实际上，在浩瀚的太空中，微重力环境是广泛存在的。比方说，在太阳系中，远离地球而不靠近其它星球的地方，重力就很微弱。根据牛顿300多年前总结出来的万有引力定律，在地球上空的单位质量的物体所受的重力大小为

地面上的重力加速度×地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平方

假如离地面的高度为零，单位质量的物体的重量的大小就是地面上的重力加速度的大小；由此可知，单位质量的物体所受的重力随着离地面的高度的增加而减小，减小的因子为

地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平方

如果物体离地面的高度是地球半径的许多倍，可以近似地把这个因子取成

地球半径的平方÷物体离地面高度的平方

如果这个因子小到百万分之一，就把相应的环境称为微重力环境。离地面1000个地球半径的高度就处于这样的环境。经常把这种环境称为“失重”环境，实际上，这时重力还存在，加上还有各种次级力的作用，要达到绝对失去重量的状态是不可能的，只能获得大体上的失重环境。例如，在离地面1000个地球半径的高度，原先中常体重的人会变得像一粒药片那么重，不飘飘然才怪呢。不久前，到火星去旅行或定居曾是热议的话题，倘若发射航天飞行器到火星上去，是一个漫漫长途，得耗时七个月有余。据查，火星与地球的距离最近约为5576万公里，最远超过4亿公里，在行程过半，尚未到达火星，也不靠近其它星体时，就会出现这样的情况。

细心的朋友会问，神舟十号的轨道离地面的高度约为200~360公里，太空舱里怎么会有微重力环境呢？这是因为，人们把空间飞行器发射到地球空间并绕地球作周期运动时，地球引力与空间飞行器运动时产生的离心力相平衡，在飞行器中也造成“失重”环境。人们对离心力并不陌生，中学物理学中就学过。在物体做圆周运动时就会产生离心力，在日常生活中也经常遇到。例如，在坐“过山车”时，车在圆形轨道上疾行时就能感受离心力的存在。航天飞行器绕地球作近似的圆周运动时，所产生的离心力就与重力彼此抵消。于是乎，我们在王老师授课时就会看到多姿多彩的失重现象。

一般说来，在一个局部运动坐标系中，重力可以被某种力抵消，物体就受一种有效重力的作用，经常用有效重力与地面重力之比来度量参考系中的重力水平。（详见[3]）

微重力环境有何特点？

如上所述，微重力环境的主要特点是它的失重状态。它还有什么特点呢？

大家知道，在地球上发生的许多过程（包括各种力学过程、物理学过程、化学过程乃至生物学过程）中，重力是一个极其重要的因素，在微重力环境中，重力悄然隐退，就像在森林里称王称霸的老虎逃走了，一些“狐假虎威”的家伙随之溜走，猴子就称起“大王”来了。

中学生都知道阿基米德浮力定律，其中的浮力是由于有重力作用才产生的，重力消失了，这种浮力就“拜拜”了，阿基米德定律也没了用武之地。根据静力学平衡原理，流体空间中的压力就均匀了，对应的热力学状态随之变得均匀，这就为许多技术应用提供了机遇。

再说对流。105年前，法国科学家贝纳（Bénard）发现了一种在自然界中广泛存在的对流（贝纳对流），它是由于上下温度差所造成的浮力产生的。太阳照耀下的大地，就是由于贝纳对流存在，才有宜人的生活环境和复杂多变的天气。如今，重力、浮力双双“出走”，像贝纳对流那样的浮力对流随之“寿终正寝”。

还有沉淀。本来在重力作用下，流体中的颗粒物常会沉淀，没了重力，沉淀过程随之消失。

老虎一走，猴子开始耍起威风来。重力作用消失后，在地面上常被掩盖的次级效应开始起主导作用。其中最“嚣张”的是表面张力（即毛细力）。本来在许多过程中，表面张力是一个不起眼的“小角色”，不少人对它不屑一顾，特别是在研究大尺度现象时。表面张力是存在于两种流体的界面上的一种作用力，我们在中学里学物理时就遇见过它。几乎所有的物理老师都会拿点眼药水来做例子，把眼药水瓶倒置，由于有表面张力的作用，不使劲挤压一下瓶子，药滴就掉下不来。

说得严谨一点，表面张力是液体表面任意两相邻部分之间垂直于它们的分界线相互作用的力，它的形成与液体表面薄层内的分子特殊受力状态密切相关。通常数值较小，且其大小与温度有关，温度越高，表面张力越小。对表面张力的研究已有几百年的历史。

随着重力的隐退，表面张力取而代之。微重力环境下，浮力对流受到抑制，表面张力梯度驱动对流就夺取了它的地盘。温度不均匀，表面张力就有梯度，经过一个较为复杂的过程，驱动流体在表面从高温区向低温区运动，产生了一种新的“浮区对流”，很有实用价值。

在地面上的流体内部的输运过程中，本来浮力对流、重力沉淀和扩散输运平起平坐，相互制约；在微重力环境下，前两者受到抑制，扩散也就“称王称霸”了，出现了纯扩散过程，这是材料工程师们追求的理想境界，比方说，在制备材料时。为了保证材料的均匀性和完整性，最好有不存在对流的干扰的纯粹扩散过程。因此，材料的制备者对微重力环境的利用最为起劲。

微重力环境有何用处？

如上所述，微重力环境营造了许多应用方面的得天独厚的环境，人们在努力设法利用。微重力科学已经成为一个重要的新兴学科，微重力环境下的各种独特现象激发了科学家（特别是航天人）的强烈兴趣，它还开拓了空间材料科学、空间生物技术和空间生命科学发展的新天地，成为需对技术问题的科学基础。国内外对此已有几十年的研究历史。

1992年，美国科学院成立了专门的微重力科学委员会，建议将微重力研究进行如下分类：基本规律；流体科学；材料科学；生物科学和技术；燃烧。实践证明，微重力科学在材料科学和生物科学和技术方面有直接的应用。

微重力环境下的空间材料科学发展得最为迅速。以晶体生长技术研究为例，晶体生长和材料制备是一类重要的物理-化学系统中的过程，在现代通信产业中有很重要的地位。在微重力环境下作晶体生长研究，可排除浮力对流和重力沉淀效应的干扰，并可实现无容器过程，因此，研究取得了实质性进展。特别是，较为深刻地理解了在微重力环境下新对流对晶体生长的影响，发展了提拉法和浮区法改进了产品的质量，等等。

空间生物技术就是利用空间特有环境，结合现代生物技术，进行蛋白质结晶及生物品种改良和创新的高新科学技术。我国经多年研发，在航天育种（即“空间诱变育种”）方面取得较大进展。先后在十多颗返回式卫星和七艘飞船上进行了数千个微生物菌种、农作物及植物种子的搭载试验，取得了一系列开创性的研究成果，不仅培育出高产优质的太空水稻、太空蔬菜、太空花卉等，以“红曲菌”、“东方红一号菌株”等航天搭载微生物菌株研制而成的系列空间生物制品也走进了寻常百姓家。

近四十年来，各空间大国都在尽力发展空间生命科学与技术，研究重点是：1）阐述重力作用下分子和细胞生物学基础；2）发展在空间微重力环境下的生物技术和生物加工；3）认识受控生态生命支持系统的基本生物学。目前在不少领域已取得重要进展。

微重力环境能在地面复制吗？

利用航天飞行器创造微重力环境对空间探索来说无疑是极其必要的，但是，此举毕竟要耗费大量的人力物力，而且发射航天器的频度要受诸多限制。有没有取代之法？几十年前，人们不约而同地想到了这一点，尽力在地球表面或低空营造微重力环境。主要手段有如下三种：

——自由落体设施：落塔、落井、落管

大家知道，两千多年前亚里士多德就研究过自由落体，还得到了错误结论。他不会想到，现今人们会利用自由落体来创造微重力环境。其中的原理是：建造高塔、深井或长管，利用它们的几何尺寸（高度、深度或长度），让落舱系统自由下落来获得微重力条件。说得直白一点，让落舱搭乘长长的电梯，再在舱里做微重力试验。最好的落塔（井）的有效重力水平达到地面重力的十万分之一至百万分之一，而可资利用的微重力时间取决于自由落体的高度，其计算公式中学生都会。日本北海道上砂川市的日本微重力中心利用报废的竖直矿井建成了一个深达710米，实验段490米，减速段220米，可提供10秒的微重力时间，每天安排三次实验，向各国开放。我国也早已有了落塔装置，头两个由中科院力学所和工程物理所研制，并做了大量实验。

——飞机的抛物线飞行

飞机进行抛物线飞行可以产生变化的有效重力，俯冲段可加速到两倍重力加速度，而在上升到自由飞行段可得到低重力环境，有效重力水平达到地面重力的百分之一到十分之一。各空间国家（包括我国）都做过这类实验，美、俄用的是大型飞机，欧洲用中型实验机，我国则用小型飞机。除了一般的微重力实验外，还用于训练航天员。

——发射微重力火箭

有过一点火箭知识的人知道，火箭发射以后，在自由飞行段可以保持相当长的一段时间的微重力水平，其保持时间取决于发射高度。因此各空间国家都着力发射可回收式微重力火箭，特别是俄国，凭借着强大的火箭技术能力，进行过多种微重力实验。微重力火箭的效果不错，有效重力水平达到地面重力的十万分之一甚至更低值。

当然，为了训练航天员，还有一些小型的微重力装置，我们在电视片中见过。这里不再赘述。

祖国的航天事业呼唤着年青的生力军

“神舟”系列飞船和“天宫一号”的升空不仅标志着我国航天技术的突飞猛进，也标志着我国空间科学有了更先进的研究载体。包括微重力科技在内的空间科技研究正在如火如荼地进行。我国建立自己的空间站也已经提到了议事日程。

我希望，通过这次太空授课，吸引我国更多的有志青年投入航天科技和微重力科学的研究。

应该认识到，航天事业是多姿多彩、魅力无穷的，又是充满挑战、责任重大的，希望朝气蓬勃的新生代，迎着困难上，继往开来，为我国的航天事业添砖加瓦，创造更加辉煌的业绩

参考资料：

[1]环球网，神舟十号升空看点：王亚平将进行太空授课，http://mil.huanqiu.com/aerospace/2013-06/4022065.html。

[2] 王兴，太空授课带来新期待，中国科学报，2013-06-12，第一版。