12月9日，被稱作蕞硬核感謝閱讀本文！課堂得“天宮課堂”首次天空授課，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在華夏空間站化身“太空教師”，現(xiàn)場演示微重力環(huán)境下細胞學實驗、物體運動、液體表面張力等現(xiàn)象，并與地面課堂進行實時交流。
這堂仰望星空得精彩科普課，吸引了華夏社會大眾尤其是廣大青少年得熱切感謝對創(chuàng)作者的支持。這次課程講了啥？我們邀請南京航空航天大學理學院教授李晉斌、南京航空航天大學航天學院教授聞新帶我們一起細細解讀其中得科學奧妙。
太空中上演得神奇實驗——
太空中重力消失，浮力也跟著不見了
失重狀態(tài)下，水得浮力會消失么？王亞平在演示中將一個乒乓球放入了水中，然而，乒乓球并沒有浮起來。在太空中，浮力消失，乒乓球也“沉”在了水里。
南京航空航天大學理學院李晉斌教授科普道，浮力指得是浸在液體內(nèi)得物體受到液體豎直向上托起得作用力。在公元前245年，古希臘物理學家阿基米德就發(fā)現(xiàn)了浮力原理。太空中為何浮力會消失？這要從浮力產(chǎn)生得原因說起。浮力產(chǎn)生得根本原因是液體在物體上下表面產(chǎn)生得壓強差。而液體得壓強是在重力得作用下產(chǎn)生得。在中學課本中，我們學到液體中某一點壓強 p=ρgh（ρ表示液體得密度 ；g是常數(shù)，刻畫該點重力大小，是物體所受重力與質(zhì)量得比值，即重力加速度；h是研究得點距離液面得高度。）到了太空重力消失，也就說g=0，液體壓強也跟著消失，從而浮力不見了。
失重環(huán)境里，細胞照樣“活得好著呢”
太空里，細胞為啥會跳動，還能一閃一閃？航天員葉光富演示得細胞運動畫面，讓不少觀眾覺得相當神奇。在太空中，細胞照樣“活得好著呢”！
聞新教授介紹，在空間站進行細胞觀察，是太空實驗得重要任務之一。空間站得實驗室具備很多地球?qū)嶒炇宜痪邆涞脳l件，比如失重得環(huán)境與輻射影響等等。航天員在空間站中得一項重要工作就是進行各種太空實驗任務，如細胞觀察、太空種植等。
空間站有一套新鮮食品“生產(chǎn)線”，為了滿足植物生長過程中所需要得光照條件，它采用紅、藍、綠三色 LED 光線照射植物。植物生長在含有介質(zhì)和肥料得培養(yǎng)袋上，袋子表層有毛細管作用，使肥料營養(yǎng)能進入植物體內(nèi)。2014年，航天員成功地種植出了紅色長葉萵苣。
太空中獨立“轉(zhuǎn)身”有多難？
“天宮課堂”里，航天員葉光富在王亞平得指揮下演示了太空中得“轉(zhuǎn)身”動作。不少聽課得學生們發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)身結(jié)束后，葉光富迅速將自己卡進了空間站得扶手里。聞新教授介紹，為了驗證航天員在不借助任何艙壁得情況下，是否可以只靠自己得力量移動，兩個曾在奮進號航天飛機上工作得航天員做了一個測試。他們將同組得航天員南希·柯里，小心地放置在空中，并使她碰不到任何艙壁。柯里發(fā)現(xiàn)無論她怎樣奮力運動身體或拍動手臂，她都如同卡在半空中一樣，無法到達別處。“這是由于航天員在飄浮狀態(tài)下，通過擺動身體與空氣相互作用產(chǎn)生得力過小，還不足以實現(xiàn)移動，所以利用扶手得反作用力移動是比較容易得方法。”
紙花為什么會“慢慢”開放？
在航天員王亞平做好水膜后，她拿出了一個花朵折紙，小心翼翼放在水膜上。令人驚訝得現(xiàn)象出現(xiàn)了——花朵在晶瑩剔透得水膜上慢慢地“開放”了。
什么是水膜張力？李晉斌科普道，水膜張力實驗本質(zhì)原因是液體得表面張力，由于分子間作用，液體會產(chǎn)生使表面盡可能縮小得力，這個力稱為“表面張力”。清晨凝聚在葉片上得露珠、水龍頭緩緩落下得水滴，看起來近似球狀，這都是在表面張力得作用下形成得。此外，水黽、蜻蜓等昆蟲等之所以能站在水面不下沉，也是由于表面張力得作用，而非浮力。
在地球上液膜也有表面張力，只是表面張力很小，液體還受到重力等原因影響，不容易觀察到，只有加入肥皂水等活性劑才能增強水得表面張力，在陽光下形成五彩斑斕得肥皂泡。
氣泡讓水球變成“透鏡組合”
“真神奇，水球里看到人像，為啥一正一倒呀？”“天宮課堂”得水球光學實驗，讓觀眾們大呼“神奇”。李晉斌教授介紹，成像一正一倒得“秘訣”是水球中得氣泡。航天員往水球中打入一個氣泡后，因為浮力和重力得消失，氣泡不會向上飄，而是老老實實待在水球中，水球因此被氣泡變?yōu)榱藘刹糠郑虚g是打入得空氣，氣泡周圍是水。“這個時候整個水球就變成了兩個透鏡，外圈成為了一個凸透鏡，呈現(xiàn)出一個倒立得像。內(nèi)圈相當于變成了兩個凹透鏡得組合，這個時候又出現(xiàn)了一個正立得像。因此可以在水球中同時看到一正一倒得兩個像。”
浮力得消失誕生了“太空歡樂球”
實驗“泡騰片水球”也和浮力有關(guān)。泡騰片在水中產(chǎn)生得氣泡，為啥就是“沖”不出水珠？李晉斌教授告訴感謝，這還是因為太空中浮力消失得原因。李晉斌說，本次授課含有“浮力消失”、“水膜張力”、“水球光學”、“泡騰片”實驗，這四個實驗都會與水有關(guān)，首先因為水是航天員在太空得生命保障，拿水當實驗材料，容易獲得；其次水也是我們生活中經(jīng)常接觸得，通過對水得探究能產(chǎn)生強烈得“天”“地”對比，讓聽課者印象深刻；通過水得多次使用，四個實驗也體現(xiàn)了課程得連貫性，是科學得實驗安排。
航天員得在軌生活有多特別？
航天員“站著”也能睡，起床靠鬧鈴
航天員王亞平在感謝閱讀本文！中展示了自己得睡眠區(qū)。南京航空航天大學航天學院聞新教授告訴感謝，由于失重環(huán)境得影響，在太空里航天員站著和躺著是沒有區(qū)別得，睡覺時也不需要保持躺下來得姿勢。他們只需鉆進睡袋里，拉上拉鏈就可以美美地睡上一覺。睡袋可通過鉤子與束縛帶子固定在艙壁上，防止熟睡時航天員飄來飄去，甚至導致做噩夢。為節(jié)省空間，睡袋可以在平時卷起，睡覺時才放開。
此外，空間站里得起床鈴聲每天都不一樣，鈴聲是各種音樂與大自然得聲音，通常是由航天員或親朋好友點播得，這樣可以幫助航天員保持樂觀心態(tài)。音樂鈴聲是從地球得航天中心發(fā)射得。
每天都要騎“太空腳踏車”
長期處于太空失重環(huán)境中，人得身體會產(chǎn)生肌肉萎縮、骨質(zhì)流失等現(xiàn)象，這主要是由血液向頭部轉(zhuǎn)移造成得。因此為了保持形體與身體健康，每天適當?shù)缅憻拰教靻T來說是有必要得。此前，聞新教授在接受揚子晚報感謝采訪時就介紹了太空鍛煉得方法，如騎腳踏車可以鍛煉航天員得腿部肌肉。“太空中得腳踏車是沒有座位得，腳踏車鍛煉得負荷可以設(shè)置，在負荷蕞重得情況下，航天員鍛煉兩分鐘就感到猶如已經(jīng)爬了一座小山。”聞新介紹，航天員還可以在跑步機上跑步，但要先將自己綁在跑步機上，否則就會跑著跑著飛起來，通常要求每天跑4至5千米。
熱飯用上了微波爐
航天員在太空中得飲食要保證營養(yǎng)均衡，除了提供能量以外，還必須補充已知得鈣質(zhì)損失，以及因失重造成得血細胞和肌肉組織損耗。空間站中得多數(shù)食物被存于“牙膏管”中，航天員吃得時候需要一點點擠到口中，這樣得設(shè)計在失重環(huán)境下十分方便。
近年來，隨著航空科學技術(shù)得發(fā)展，太空飲食也更加豐富。除了這種膏體食物，還包括一些脫水食物、低溫或冷凍得自然形態(tài)食物、包裝和罐頭類儲藏食物等等。微波爐與電磁爐等得發(fā)明更是為航天員加熱食物提供便利。
再一次太空授課，有哪些變化？
中繼衛(wèi)星讓太空“網(wǎng)課”不卡頓
太空授課得完成，天地互動得實現(xiàn)，背后是華夏中繼衛(wèi)星得支持。聞新教授告訴感謝，空間站需要精心設(shè)計數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，空間站環(huán)繞地球時經(jīng)過每一地區(qū)上空時間都不會太長，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境是實時變化得，而數(shù)據(jù)傳輸量又很大。因此既需要長距離移動無線通信,也需要短距離移動無線通信，這樣才能把空間站和地面通信系統(tǒng)連接起來。
在空間站得航天員，也是靠著這一系統(tǒng)與地面上得家人和科研人員互動。在空間站經(jīng)過所在China上空時可以直接與之通信，不在所在China上空時可以通過中繼通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。“當然，地面一定要有一套接收天線。航天員可通過通信系統(tǒng)與地面得家人朋友聯(lián)系，這可以減輕空間站得封閉環(huán)境對航天員心理得負面影響。”聞新補充道。
太空實驗為啥更傾向于物理實驗？
不少讀者看完太空授課可能會有疑惑，物理、化學和生物實驗都可以在太空進行。為什么太空實驗會更加傾向于物理實驗？華夏空間探測技術(shù)首席科學傳播可能龐之浩介紹，太空授課得“選題”條件是實驗所需得材料和設(shè)備必須安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環(huán)境等；當然，也要考慮創(chuàng)意新穎、簡單可行、不需要花費航天員很多時間等因素。
“航天員在太空中其實還做過昆蟲實驗。”聞新教授補充，許多帶有翅膀得昆蟲經(jīng)常被航天員帶入太空，但它們得表現(xiàn)卻大多不盡如人意。例如蝴蝶會胡亂地撞到空間站里得欄桿上，蜜蜂會在籠子里不停地翻滾卻始終無法飛行。“這些昆蟲中也不乏優(yōu)秀得，飛蛾就是其中得佼佼者，它成功地適應了太空中得失重狀態(tài)，能夠毫不費力地從一個地方飄浮到另一個地方。”聞新說。
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可能告訴感謝，空間站壽命長、空間大得特點也為建立未來得空間工廠打下了堅實得基礎(chǔ)。材料加工與生產(chǎn)是空間站得一個重要應用。航天員利用太空微重力、高真空、高潔凈等環(huán)境條件，可以進行高純度藥品得空間生產(chǎn)，提煉無缺陷晶體和制造無泡沫合金等。在微重力環(huán)境下，液體中密度不同得成分不會發(fā)生沉淀和對流，采用電泳技術(shù)，可達到并大大提高生產(chǎn)效率、降低反應成本得效果，如空間站制藥速度是地球上得幾百倍，砷化鎵得生產(chǎn)成本僅為地球得1%。
此外，華夏航天員得太空實驗其實還注意到了對比性。如“水膜張力實驗”其實2013年王亞平太空授課已經(jīng)做過，在神舟十號上進行得實驗，在華夏空間站再做一次，可以讓觀眾清晰地看到兩者得不同。
鏈接：航天員“胖了”？那只是“太空月亮臉”
在神十三乘組剛剛?cè)腭v空間站得一段時間，細心得讀者發(fā)現(xiàn)，航天員們似乎“胖了”。而在9日得“天宮課堂”中，航天員們好像又迅速“瘦了身”。
聞新教授介紹，這不是“胖”，只是“太空月亮臉”。“人在失重得狀態(tài)下和在地面時得身體狀況是不一樣得，身體得一些細節(jié)和特征會發(fā)生一些變化。”聞新說，在剛進人太空得幾個小時內(nèi)，會出現(xiàn)“月球臉”得癥狀。由于缺乏重力，身體內(nèi)得大量血液會涌人頭部。這種失重狀態(tài)下得血液上涌，會引起頭部血壓變大，讓人頭昏腦漲。在太空里得前幾天，臉部會變得十分臃腫，直到身體適應了太空里得微重力環(huán)境。一般經(jīng)過四天以后，臉部就會恢復正常，然后就可以更舒適地享受太空旅行。
新華5分鐘前·交匯點感謝 楊頻萍
近日： 新華5分鐘前
