王亚平太空实验中的科学原理
2013年6月20日,航天员王亚平在“天宫一号”讲授了一节课,在课堂上王老师一共做了五个精彩的实验。大家在观看这些实验时,一定会觉得很神奇,很热闹。可“热闹”背后的科学原理你弄清楚了吗?
先看热闹:王亚平首先展示了两支完全一样的弹簧秤,它们分别固定了两个不同质量的物体,结果两个弹簧平衡在同一位置,读不出所挂物体的重量。既然弹簧秤没有“反应”,那么在太空中又如何测人的体重呢?接着镜头转向“天宫一号”中的一台“体重测量仪”。聂海胜把自己固定在测量仪弹簧支架的一端,王亚平轻轻拉开支架,一松手,支架在弹簧回缩拉力的作用下快速回复原位,这时LED屏显示出聂海胜的体重是74千克。
再说原理:在地面上,挂在弹簧秤上的物体因为地球引力而产生了对弹簧向下拉的重力,这个重力可以让弹簧向下拉伸,我们就可以根据弹簧秤被接伸出的长度读出物体的“质量”,也就是说在地面上人的“质量”是通过“重力”间接体现出来的。
太空中没有地球引力,物体处于“失重”状态,这时挂在弹簧秤上的物体不会产生使弹簧向下拉长的重力,弹簧长度没有变化,当然读不出物体的“质量”。太空测体重是用了“另一套办法”:王亚平先把“挂着”聂海胜的弹簧拉开,一松手,聂海胜会在弹簧的回缩拉力下快速回缩,在这个过程中弹簧的回缩拉力是可测的,算是“已知条件1”。
再者,聂海胜回缩的“加速度”也是可以测定的,算是“已知条件2”,然后我们用(已知条件1)÷(已知条件2),这时候得到的商就得聂海胜的质量(体重)。即:体重=弹簧的回缩拉力÷加速度。原来,在太空中聂海胜的体重是个“商”,这个算法公式来源于牛顿第二定律。
先看热闹: T形支架上,细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手,小球并没有像在地面上那样往复摆动,而是悬停在了半空中。王亚平用手指轻推小球,小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动。
再说原理:在地面上,被细绳牵着的小球会受到地球引力的作用向下运动,并且下落的速度会越来越快,因为速度越来越快,所以小球向下的“冲力”就越来越大,当它下落到最低点的时候,小球的“冲力”就会大于“地球引力”,因为被细线牵着,所以这时候小球会在“冲力”惯性的作用下越过“最低点”,然后改变方向,向上“爬升”。
在向上“爬升”的过程中,小球的速度会越来越慢,向上的“冲力”就越来越小了,当小球向上的“冲力”小于地球对它的“引力”时,它又会“掉头向下冲”,如此反复,就形成了“左右摆动”的状态。
在太空中,地球对小球的引力已经消失,没有了引力向下“吸引”,又没有其他方向的力量推动,所以小球就悬停不动了。当王亚平轻轻推小球时,小球就得到了一个“推力”,而这个“推力”又没有其他“阻力”来干扰,所以“能量十足”,只轻轻一推,小球就会“拼命”地在细线的牵引下做圆周运动了。
从理论上来讲,如果没有其他力来“阻止”,这个小球就会在推力的作用下“永远地旋转下去”。
