“天宮課堂”第四課

李忠東

2023年9月21日下午15時45分，隨著航天員景海鵬“同學們好，我們一起開始一場探索之旅吧”的開場自，“天宮課堂”第四課拉開了序幕。這節太空課由中央廣播電視總臺面向全球現場直播，時長約48分鐘，采取天地互動方式進行。

介紹夢天實險艙

在課堂中，神舟十六號航天員桂海潮和朱楊柱介紹了夢天實驗艙，給大家展示了兩相系統實驗柜、超冷原子物理實驗柜、流體物理實驗柜、在線維修裝調操作柜、燃燒科學實驗柜，以及高溫材料科學實驗柜等實驗裝置，簡要介紹了它們的特點與用途。

3位航天員還展示了艙內鍛煉器材，比如抗阻鍛煉裝置，專用于航天員在軌進行力量鍛煉。

夢天實驗艙是中國空間站的第三個艙段，也是第二個科學實驗艙（第一個科學實驗艙是問天實驗艙）。

桂海潮告訴大家：“實驗載荷區域可以開展流體物理、材料科學、燃燒科學、微重力物理科學的基礎研究，同時還能探究在軌制造、新型能源推進等工程技術領域的前沿問題?！?/p>

球形火焰實驗

3位航天員通力合作，演示了一組有趣的實驗，讓同學們大開眼界。

在球形火焰實驗中，地面課堂的授課老師和空間站的桂海潮同時點燃了一根蠟燭，結果呈現出截然不同的火焰。

桂海潮解釋說，地面蠟燭的火焰在豎直狀態下呈錐形，是因為垃面上有重力作用，燃燒后熱氣上升，冷氣下降，形成了浮力對流。而在空間站，不管蠟燭朝哪一個方向，它的火焰都近似球形，原因在于微重力環境使得加熱的空氣不會上升，只能慢慢擴散，向各個方向運動的趨勢相同。此外，在空間站里，燃燒對流十分微弱，氧氣的補充不如地面及時，因此蠟燭的燃燒沒有地面充分，火焰的溫度也會更低一些。

這個實驗有助于理解重力對燃燒過程的重要作用。重力不僅影響燃燒產物的運動和排布，還對燃燒的熱傳導、質量擴散和噴射等過程產生影響。對微重力環境下的燃燒進行研究同樣有重要意義，比如保障航天員人身安全和設備正常運行，再比如，可以幫助改進地球上的燃燒過程，提高能源利用效率和減少污染物排放等。

“乒乓球”實驗

接下來的一場空間站“乒乓球比賽”別開生面。

朱楊柱和桂海潮使用普通球拍時，水球被牢牢粘在球拍上，但在換成毛巾貼面的球拍擊打水球，水球不僅沒有被吸住，反而彈起來，像真的乒乓球一樣。

朱楊柱解釋道：“這是因為除了表面張力使水球不容易破裂之外，毛巾的表面還布滿了疏水的微絨毛。這種疏水結構的處理工藝在紡織工業很常見，大家穿的沖鋒衣、速干衣，都使用了類似的工藝?！?/p>

此前在“天宮課堂”第三課上，航天員陳冬演示過毛細效應實驗，笫二課也有液橋演示實驗，這一系列實驗都展示了流體現象的天地差異。在微重力環境下，液體特性會發生改變，這也意味著航天器燃料的流動性質與地面存在顯著差異。

動量守恒實驗

在微重力環境下，不同質量鋼球的質心碰撞會產生什么現象？

這一次，朱楊柱和桂海潮在艙門掛上一米見方的標準網格布，以此為背景進行了實驗表演。網格布上的小方格長與寬均是10厘米。朱楊柱將一顆質量500克、直徑49.5毫米的實心鋼球放到網格布前方中央，球懸浮在空中。桂海潮將一顆同樣的鋼球拋出，碰撞到懸浮的第一顆球，結果兩顆球碰撞之后產生了動量交換。

兩人隨后拿出一顆100克重的小鋼球，再次演示鋼球碰撞。這一次，小鋼球撞擊大鋼球之后，調轉方向返回，大鋼球則沿著小鋼球初始的運動方向前進。反過來，大鋼球碰撞小鋼球時，小鋼球隨大鋼球沿著同一方向前進。

桂海潮總結說，通過計算可以發現，剛才這些碰撞無論是接近于正碰，還是斜碰，都能夠滿足動量守恒。

又見陀螺實驗

在神舟十號的天宮課堂上，王亞平曾用一個小陀螺演示了定軸特性，講解了陀螺定向儀在精準測量航天器飛行姿態的重要作用。

在這次陀螺實驗中，桂海潮雙手持握一只大陀螺的兩端，僅僅輕微改變手持能方向，便成功地帶動自己的身體轉動起來。這里面蘊含的物理知識便是關于物體的角動量：當陀螺靜止時，它的角動量為零；而當陀螺高速自轉時便擁有了巨大能角動量。

為什么要做這個實驗呢？這和室間站的姿態改換有關。為了讓同學們更好理解，桂海潮讓大家想象他的身體就是空間站，兩手和手中的陀螺是空間站上使用能特殊裝置——控制力矩陀螺。原來，控制力矩陀螺高速自轉具有非常大的角動量，改變它的方向就可以對空間站施加很大能力矩，從而改變空間站的姿態。