【材制丨视角】天宫课堂第二课——太空微重力
初原载于 爱学习的 青春材制
2022-04-23
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SPACE DAY OF CHINA
4月16日，阔别祖国183天的“太空出差三人组”终于回来了！而这一次的出差，给咱们带来了很多意外的惊喜。历经冬奥，我们看过了冬雪，也感受到了“小雪花”的热情，但“雪花”可不只存在于地球上？让我们跟随王亚平老师的脚步，一起去看看太空中的“雪花”是什么样子吧！
中国空间站天和、问天、梦天三个舱段舱内共安排13个科学实验柜，每个实验柜都是一个高功能密度的太空实验室，可支持一个或多个方向的空间科学与应用研究。这些重大设施支持在轨实施空间生命科学与生物技术、微重力流体物理和燃烧、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理等9个学科领域30余个研究主题的科学研究。
在进行繁重的空间科学实验的同时，开展空间科普实验是空间站的另外一项重要任务。“天宫课堂”是为发挥中国空间站的综合效益，推出的首个太空科普教育品牌。2022年3月23日，航天员翟志刚、王亚平、叶光富再次以天地交互的方式，开启了“天宫课堂”第二课。由航天员在轨演示太空“冰雪”、液桥演示、水油分离、太空抛物等实验。
微重力“无容器”结晶
结晶是溶液中析出固体的过程。而在地面上，由于受到重力的作用和容器的影响，形成的晶体外形是不规则的，无法形成一个完美的“冰球”。太空中的微重力“无容器”状态下，液滴悬浮在半空，溶液在处于过饱和状态时“自由生长”，悬浮状态下完成结晶，呈现出一个“冰雪”，从而观察到不受地球重力影响的材料物性变化。
这一科普实验与中国空间站里的无容器材料实验柜实验内容相呼应。无容器材料实验柜目前主要有两个用途：一是实现材料在无容器状态下从熔融到冷却凝固的过程，供科研人员收集物性参数进行研究；二是用于特殊材料在轨生长，缩短新材料从实验室走向流水线、走进大众视野的时间。
微重力使液桥变长
由于分子引力的存在，液体具有内聚性和吸附性，而液体与空气接触的那一面，没有来自其他水分子的吸引力，使得它受力不均匀，这就产生了液体表面的张力，就像一块张紧的弹性薄膜。凝聚在叶片上的水滴，就在表面张力的作用下形成的。液桥是由于液体的表面张力而形成的，在重力环境中形成的液桥尺寸很小，液桥的尺寸大概几毫米，超过这个尺寸，表面张力就无法承担它的重力而垮塌。微重力环境下，没有重力负担，液体的表面张力更加凸显。天宫课堂的液桥演示实验中，水在表面张力作用下将两个塑料板连接起来，在太空可用液体搭一座桥。液桥的尺寸是地球上液桥的几十倍，达到了几十毫米长。
高压电场、盐分、表面活性剂等可以改变表面张力，随着表面张力的变化，液桥长度也会发生变化。你能做出多长的液桥呢？
微重力使水油“不分离”
在一个瓶子中装入水和油，充分摇动瓶子，发现瓶中一片黄色，油水混合在了一起。然后，静置瓶子，时间一分一秒过去，瓶中没有发生任何变化，油滴仍然均匀分布在水中。因为失重环境中液体间的由于密度差异产生的浮力对流基本消失，不存在所谓的“上浮”与“下沉”，所以会出现“水油混合”不自然分层的现象。
在“人造重力”——抓着系在瓶上的细绳甩动瓶子数圈后水油明显分离，油在上层，水在下层。这是由于，借助圆周运动，高速旋转产生离心力，用这种“人造重力”实现水和油分离。
微重力太空抛物
在空间站中，“冰墩墩”摆件被抛出后，并没有做抛物运动掉落下去。它几乎不受外力影响，而是沿原有方向匀速前进，这就是空间站微重力环境最直观的体现。太空抛物实验展示了牛顿第一定律所描述的现象。
实际上，高微重力对于物理学研究非常重要。在这样的环境中可以开展更精密的科学实验，提高测量精度。比如在高微重力环境下，科学家利用冷原子干涉仪对原子进行加速度测量比对，可以对爱因斯坦广义相对论中的等效原理进行高精度检验。
经过约45分钟的授课，神舟十三号飞行乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，生动演示了微重力环境下太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验，讲解了实验现象背后的科学原理，展示了部分空间科学设施。
同时，通过视频通话形式与地面课堂的师生进行了互动交流。这也是中国航天员首次在空间实验室对全国观众进行视频授课，进一步激发了广大青少年对宇宙空间的向往、对学习科技知识的热情，让青少年通过这次活动走近航天、了解航天、热爱航天。激发有志青年的学习热情和为科学献身的勇气。
本周日（4月24日），是“中国航天日”，在第七个中国航天日到来之际，让我们用航天点燃梦想，赓续冬奥的约定，一起迈向星辰大海的未来！
撰 稿 人：科创协会科创部 混隽雅 向俊丞
责任编辑：科技协会执行主席 马浩然
执行编辑：科技协会组宣部 姜颖奇 李嘉宇
总 编 辑： 李晓萌
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