專家解讀“天宮課堂”第二課:太空實驗背后的奧秘
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新華社北京3月23日電 3月23日下午,,中國空間站“天宮課堂”再度開課,“太空教師”翟志剛,、王亞平,、葉光富演示了太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗,、水油分離實驗,、太空拋物實驗等。
為什么要做這些科學實驗,?背后蘊含著哪些科學奧妙,?與人類探索浩瀚宇宙又有什么關(guān)聯(lián)?新華社記者采訪多位專家一一解讀,。
實驗一:溫熱的“冰球”
【現(xiàn)象回顧】這一幕仿佛發(fā)生在“魔法世界”:透明的液球飄在半空中,,王亞平用一根小棍點在液球上,球體瞬間開始“結(jié)冰”,,幾秒鐘就變成通體雪白的“冰球”,。王亞平說,這枚“冰球”摸上去是溫熱的,。
【專家解讀】“太空‘冰雪’實驗實際上是過飽和乙酸鈉溶液形核,、結(jié)晶的過程,過程當中會釋放熱量,?!敝袊茖W院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張璐介紹,過飽和溶液結(jié)晶通常需要外界“擾動”,而這個實驗的“玄機”就在于小棍上沾有晶體粉末,,為過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結(jié)核,,進而析出三水合乙酸鈉晶體。
【延伸閱讀】在地面上進行結(jié)晶實驗時,,晶體的樣子可能因容器形狀不同有很大差異,。而在微重力環(huán)境中,晶體并不受容器的限制,,可以懸浮在半空“自由生長”,,這與中國空間站里的無容器材料實驗柜相呼應(yīng)。無容器材料實驗柜目前主要有兩個用途:一是實現(xiàn)材料在無容器狀態(tài)下從熔融到冷卻凝固的過程,,供科研人員收集物性參數(shù)進行研究,;二是用于特殊材料在軌生長,縮短新材料從實驗室走向流水線,、走進大眾視野的時間,。
實驗二:“拉不斷”的液橋
【現(xiàn)象回顧】葉光富將水分別擠在兩塊液橋板上,水球狀似倒扣著的碗,。液橋板合攏,兩個水球“碗底”挨“碗底”,;液橋板分開,,一座中間細、兩頭粗的“橋”將兩塊板相連,;王亞平再將液橋板拉遠,,液橋變得更細、更長,,仍然沒有斷開,。
【專家解讀】張璐介紹,微重力環(huán)境與液體表面張力是液橋得以成形的主要原因,。日常生活中的液橋不易被察覺,,比如洗手時兩個指尖偶然形成幾毫米液柱,再拉遠一點就會受重力作用坍塌,。而在空間站里,,航天員輕松演示出比地面大數(shù)百倍的液橋,這在地面上是不可能看到的景象,。
【延伸閱讀】液體表面張力是“天宮課堂”中的高頻詞,,天宮一號太空授課、中國空間站首次太空授課做過的水膜,、水球?qū)嶒灦缄U釋了這一原理,。中國科學院力學研究所研究員康琦介紹,空間站可以最大限度擺脫地面重力影響,為包括液橋?qū)嶒炘趦?nèi)的流體力學研究創(chuàng)造了良好的條件,。2016年9月15日,,天宮二號空間實驗室?guī)е簶驘崦殞α鲗嶒烅椖可铡?/p>
實驗三:“分不開”的水和油
【現(xiàn)象回顧】王亞平用力搖晃一個裝有水和油的瓶子,讓水油充分混合,,瓶中一片黃色,。時間一分一秒過去,瓶中沒有發(fā)生任何變化,,油滴仍然均勻分布在水中,。葉光富前來助力,抓著系在瓶上的細繩甩動瓶子,。數(shù)圈后,,水油明顯分離,油在上層,,水在下層,。
【專家解讀】“我們都知道地面上油比水輕,平時喝湯的時候看到油花都習以為常,?!敝袊茖W院物理研究所研究員梁文杰說,然而在空間站中,,情況卻大不一樣,,水和油之所以“難舍難分”、長時間保持混合態(tài),,是由于在微重力環(huán)境下密度分層消失了,,也就是浮力消失了。
“水油在天上成功分離的原因是,,瓶子高速旋轉(zhuǎn)時類似離心機,,可以理解為離心作用使得浮力重新出現(xiàn)了?!睆堣凑f,。
【延伸閱讀】科研人員可以借助微重力環(huán)境特性開展研究,例如利用密度分層消失,,在微重力環(huán)境下向熔融合金中注入氣體,,可以得到航空航天、能源和環(huán)保領(lǐng)域的重要材料——泡沫金屬,。
與之相關(guān)的是,,高微重力科學實驗柜能夠提供高微重力環(huán)境,其內(nèi)部微重力水平是空間站艙內(nèi)百倍到千倍,,更接近真實宇宙空間;外部設(shè)計氣浮,、磁浮兩級懸浮,,減輕了空間站姿態(tài)和軌道控制機動產(chǎn)生的加速度、各類儀器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩和震動,、航天員活動帶來的質(zhì)心變化和沖擊,、太陽風和稀薄大氣的擾動等干擾因素影響,能夠支持更為精密的科學實驗,。
實驗四:翻跟頭的“冰墩墩”
【現(xiàn)象回顧】北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”壓軸登場,,迎來太空之旅的“高光時刻”。王亞平水平向前拋出“冰墩墩”擺件,,一向憨態(tài)可掬的“墩墩”姿態(tài)格外輕盈,,接連幾個“空翻”畫出了一條漂亮的直線,穩(wěn)穩(wěn)站在了葉光富手中,。
【專家解讀】太空拋物實驗展示了牛頓第一定律所描述的現(xiàn)象,。在空間站中,“冰墩墩”擺件被拋出后幾乎不受外力影響,,保持近似勻速直線運動,。“天宮課堂”地面主課堂授課老師,、北京師范大學第二附屬中學物理教師張健介紹,,地球人眼中物體運動的理想狀態(tài),如今得以在太空中一探究竟,。
【延伸閱讀】我們?yōu)槭裁匆_展在軌科學實驗,?張璐介紹,目前正在進行的實驗項目,,一是要揭示微重力環(huán)境下的特殊現(xiàn)象,屬于從科學角度認識世界,;二是通過在軌實驗助力地面科學研究,,改進工藝水平;三是艙外有高真空環(huán)境,、輻照,、亞磁場等,這些特殊環(huán)境因素對生物體,、材料,、元器件等影響也是我們要研究的內(nèi)容;四是進一步探索未知領(lǐng)域,,包括暗物質(zhì)探測,、行星起源探索等。問天,、夢天實驗艙發(fā)射升空后,,還會有一大批前沿科學實驗陸續(xù)在中國空間站開展,。