滚烫的“冰球”，“水筑的桥”，“冰墩墩”走直线……《天宫课堂》第二课给我们展示了很多“不可能”的Tai 空地面实验，看看背后的知识点和科学原理。
“太空探索永无止境。同学们好！”3月23日下午，伴随着泰空老师王亚平熟悉的声音，“天宫课堂”第二节课开始了。神舟十三号乘务组的航天员翟志刚、王亚平、叶广福相互配合，给我们带来了一堂精彩的科普课。
科学实验中，温暖的“冰球”、液体的“水桥”、水油混合物、直线抛物线依次上演。在地面上很难实现这些场景。下面，我们一起来探究其中的奥秘。
水球变成“冰球”，其实就是热球。
【精彩一幕】王亚平从一个液体袋里挤出一个透明的水球，但用棍子一碰，瞬间产生大量白色晶体，很快变成了一个“冰球”。王亚平介绍，这个看起来像冰球的水球，其实是热的。
▲醋酸钠溶液的水球瞬间“结冰”
【知识点】液体结晶
【原理解读】为什么挤压出来的“水滴”是球形的？“这是微重力环境下液体的表面张力，使挤压出来的液体形成饱满均匀的液球。”王亚平揭开了其中的奥秘。
结晶呢？原来，王亚平老师用的“水”不是普通的水，而是过饱和的醋酸钠溶液。乙酸钠溶液在高温水中溶解度很大，容易形成过饱和溶液。只要有一点点晶体和颗粒，就能迅速打破其稳定状态，析出大量晶体，同时释放大量热量。
中科院空间应用工程与技术中心研究员张路在接受媒体采访时表示，这个实验的“奥秘”在于，棒上沾有晶体粉末，为过饱和醋酸钠溶液提供了凝结核，然后析出三水醋酸钠晶体。由于过饱和乙酸钠溶液的成核结晶过程，在此过程中会释放热量。因此，它是一个“热球”。
▲3月23日，学生在北京市第十八中学科技展室做实验。由于地面重力的影响，液体从杯底开始向上结晶。
据专家介绍，容器对材料的生长有很大的影响，因为在材料生长过程中，容器的形状、表面结晶度、表面粗糙度对晶格结构、缺陷和纯度都有很大的影响。在微重力环境下，晶体不受容器限制，可以半悬浮空向各个方向“自由生长”。但是，在地面进行结晶实验时，由于容器的形状不同，晶体的外观可能会有很大的不同。
本实验与中国空站无容器材料实验柜相呼应。无容器实验柜堪称研究材料的“大仪器”。目前主要有两种用途:一是实现材料在无容器状态下从熔化到冷却凝固的过程，便于科研人员收集物理参数进行研究；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、进入大众视野的时间。尤其是一些多元合金，由于浓度不同，在地面制作时会分层。但是在空间站空做的时候，在微重力的情况下，对地面的影响就没有了。如果去除容器的影响，可能生长出具有更高纯度、更高结晶度和更好结晶度的材料。实验结果可应用于高温单晶合金、核电站高温材料、新型铁基超导材料、新型红外遥感探测材料、医用探测器材料等领域。
一座由液体搭建的“水桥”
【精彩场景】王亚平正拿着两个透明的液体桥板，叶广福正拿着一个装满饮用水的袋子分别在两个液体桥板上挤一个水球。两个水球一开始碰撞不会溶解。当它们彼此靠近然后拉开后，在表面张力的作用下，水将两个液体桥板连接在一起，形成“水桥”。液体桥板分开，中间细两头粗的“桥”把两块板连接起来；王亚平把液桥板拉得更远，液桥越拉越细，依然没有断开。
▲水球相互靠近形成“水桥”
【知识点】表面张力
【原理解读】微重力环境和液体表面张力是形成液桥的主要原因。日常生活中的液体桥不易被察觉。比如洗手的时候，两个指尖不小心形成了几毫米的液柱。如果你把它拉得更远，它会因重力而坍塌。在空之间的站内，宇航员轻松演示了比地面大几百倍的液体桥，这在地面上是很难看到的。
▲地面同步实验很难达到空的效果。
【小原理大效果】这个实验让大家对液体的表面张力有了更直观更深刻的认识。流体实际上是现代生活中非常重要的一部分。通过这样一个表面张力的实验，让你有更多的机会去关注和讨论流体，对流体有更深入的了解。站上液桥实验空是微重力流体的一个研究范畴，微重力流体物理实际上属于流体物理的一个新学科。中国空站的核心舱有十几个实验柜，其中两个是微重力流体科学。
油充分混合，两者一笔分离。
【精彩场景】王亚平用力摇晃一个装满水和油的瓶子，使水油充分混合，瓶子呈黄色。久而久之，瓶子没有任何变化，油滴依然均匀分布在水中。同样的实验在地面教室做，却出现了完全不同的现象:水和油不相溶，油比水轻，油浮在水面上。
那么，如何在Tai 空中实现“油水分离”？有同学建议:“用旋转的方式，通过离心作用把水和油分离。”后来叶广福做了示范。他把绳子系在瓶口上，快速旋转起来。不一会儿，瓶子里的混合物就分离出来了。
▲天空和地面同步实验，呈现出不同的效果。
▲王亚平老师展示水油分离后的瓶子。
【知识点】浮力、重力、离心力
【原理解读】水的密度比食用油大，所以两种液体在地面混合后，油会浮在水面上形成稳定的现象。但是，在空之间的车站，情况就大不相同了。中国科学院物理研究所研究员梁文杰解释说，水和油之所以长期保持混合状态，是因为微重力下密度分层消失，即浮力消失。
然而，在离心作用下，水和油再次分层。“水和油在空中成功分离的原因是瓶子高速旋转时，就像离心机一样，可以理解为离心作用使浮力重现。”张路说。
【小原理，大效果】科研人员可以利用微重力环境的特点开展研究。比如利用密度分层消失，在微重力环境下向熔融合金中注入气体，就可以得到航天、能源、环保等领域的重要材料——泡沫金属。而这只是微重力环境的一个简单直观的应用。
与此相关，高微重力科学实验室机柜可以提供高微重力环境，其内部微重力水平是站舱空的100到1000倍，更接近真实宇宙空；外部气浮和磁悬浮的设计，减少了空站间姿态和轨道控制机动引起的加速度、各种仪器运行引起的力矩和振动、航天员活动引起的质心变化和冲击、太阳风和稀薄大气的扰动等干扰因素的影响，可以支持更精密的科学实验。
Too 空直线抛物线，球场上的顶流“冰墩”。
【精彩现场】这一环节，一个可爱的小冰墩登场了。用手指轻轻推着王亚平的冰墩。冰墩没有像在地面上那样做曲线运动，而是水平飞出，慢慢飘向不远处的叶广福。叶广福接住，推给王亚平。冰墩以近似匀速直线运动的方式在两人之间来回移动。
▲“冰墩墩”惊喜亮相中国空站参加抛物线实验。
【知识点】牛顿第一定律和爱因斯坦等效原理
【原理解读】这很好的论证了牛顿第一定律。牛顿第一定律也被称为惯性定律。基本原理是任何物体都应保持匀速直线运动或静止状态，直到有外力迫使其改变运动状态。在地球上，因为重力，物体走的是抛物线，而在天宫里，物体几乎不受重力影响，所以匀速直线运动。
专家表示，这个问题也可以用爱因斯坦广义相对论的等效原理来看，即被引力吸引和加速运动是等效的。天宫受到地球引力的吸引，以相同的向心加速度运动，这样两者相互抵消，天宫内部就成了一个完美的惯性系。在惯性系中抛出的物体，离开手后不会受到任何力的作用，所以会匀速直线运动。
【小原理大效果】这种平抛动作在我们的生活中很常见。看似简单，却蕴含着非常丰富的科学道理。平抛运动是指物体在不考虑空空气阻力的情况下，以水平初速度抛出后，在重力作用下的运动。如果投掷速度足够大，有没有可能不会落回地面，成为绕地球运行的卫星？
这个思想实验也被称为“牛顿的高山大炮实验”。天宫课堂总课堂老师、北师大二附中物理老师张健介绍，这个“足够大”的速度，可以用中学物理知识计算出来:大概8000米每秒。这个速度被称为第一宇宙速度，成为发射卫星和空站的重要依据。它是一颗发射卫星的最小发射速度，也是所有在轨卫星的最大环绕速度。我们空站的运行速度接近第一宇宙速度。
小贴士:
空站间环境是“微重力”而不是“零重力”
其实站空是失重环境，但并没有脱离地球引力。在距离地球约400公里的轨道上，台站空的重力约为地面的88.5%，并没有明显小于地面。空站之所以能形成微重力环境，是因为它的飞行速度非常高。这时候引力就变成了正确的向心力，让空站绕地球运行。但是地球不是一个均匀的球体，站空之间的速度也不是恒定的，所以空站内的环境是微重力而不是零重力。
整理/新媒体编辑方永珍
出品:科普中央厨房
监制:北京科技报|北科传媒
欢迎来到朋友圈
