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开学第一课,航天员为什么要挑战“用筷子喝茶”?

2021年秋季开学第一课,在天宫空间站出差的三名航天员为孩子们送上了两个科学实验,其中一个就是挑战“用筷子喝茶”。航天员先是将保鲜袋中的茶水挤出来,让一大滴液体漂浮在空气中,汤洪波小心地用筷子夹起茶水送入口中。

汤洪波用筷子夹起茶水

喝茶喝水,我们通常都是倒进水杯或者碗里,然后端起来喝。但航天员们在空间站里喝水大多使用水袋,这是因为空间站处于微重力环境,水很难在杯子里老实呆着,它会漂浮到空中,一不小心便飞得到处都是。空间站四壁都是精密的科学仪器,一旦进了液体会造成大麻烦,所以航天员喝水都是使用可以挤压、方便吸吮的软包装容器。

2013年王亚平展示水的表面张力

朋友们或许还记得,2013年神舟十号太空任务时,航天员王亚平开设“太空讲堂”,就已经在天宫一号里做过类似的实验:先让水在空中慢慢聚集成一个球,透过水球显示出航天员的倒影;王亚平还表演了太空吞水珠。

既然类似的实验已经做过,为什么时隔8年神舟十二号又要再做一次呢?难道在空间站里没有更多有趣实验了吗?

王亚平太空喝水

天和核心舱的最主要功能是为未来空间站提供控制支持,它同时也是一个科学实验舱。在核心舱的中段安装了许多实验机柜,比如人系统研究机柜、医学样本分析与高微重力科学实验机柜等等。神州十二号以及未来的航天员除了要完成空间站的组装、测试调试任务外,还需要利用这些设备对他们自己的身体进行测试,做一系列复杂的生命科学实验。

天和核心舱有多个生命科学实验机柜

航天员做的这些实验涵盖了太空生命科学的所有领域,对我们未来星辰大海的漫漫征程有极大科学价值,但这些实验过于先进,中小学生们看不懂。为了引导孩子们对宇宙探索、对科学的兴趣,科学家们需要设计一些好玩的、能够启发思考的科学实验――水就是中外航天员最喜欢使用的工具。

用疏水表面触碰太空中的水珠

水是我们最常见的物质,人每一天都需要补充水,对于水你一定也有许多了解,但这仅限于地球表面的水。水在太空中、在失重环境下到底是什么样的?在失去地球引力的影响之后,水又有哪些神奇表现?这些现象背后究竟有哪些科学道理?追寻这些问题的答案,恰恰就是对物理学的认知过程。

在微重力环境下,无论大小,水都会自动地形成一个圆球形,这是为什么呢?

水是由许许多多水分子凝聚在一起形成的液体,水分子由两个氢原子和一个氧原子构成,并且氢原子与氧原子之间形成了一个弯曲结构,这导致水分子表面电荷分布不均匀:氧原子这边略带负电,氢原子那边带正电。

水分子的极性与氢键

当两个水分子靠近时,带正电的氢原子会被另一个水分子的氧吸引,从而将两个分子拉到一起,这就是物理学里常讲的“氢键”,水中所有的水分子之间都是通过氢键相连。

水里的每一个水分子都通过氢键与周围4个其它水分子“牵手”,由于氢键的力比较强,因此水的黏性很强;同时由于水表面的水分子上方是空气,没有其它水分子,这导致水分子与旁边其它水分子之间的结合力更强,这种结合力被称为表面张力。在所有液体中,除了汞,水的表面张力是最强的。

水表面张力的形成

由于有很强的表面张力,水滴表面就像是有一张橡皮膜包裹着,使水滴的表面积尽量地小。我们知道,相同体积的物体,圆球表面积最小,于是水滴会自动团成圆球形状。

表面张力

地面有强大的引力,只有很小的水滴(比如小露珠和雾滴)才会接近球形。在近地轨道飞行的空间站里,空间站绕地球做圆周运动抵消了地球重力加速度,这里测得的重力几乎为0,即便是乒乓球大小的水珠,它也能团成一颗比较完美的圆球(不考虑空气扰动的情况下)。

太空中的液滴是一个圆球

水分子有很强的吸附性,它会粘在所有亲水物体表面,进而带着其它水分子一并黏上去。

在地面,由于有地球引力帮忙,我们可以很容易地拧干毛巾,但在太空微重力环境下,水会吸附在毛巾表面,你不可能拧掉毛巾上的水。无论用使多大劲儿,只要一松手,水又被吸进毛巾里了。

拧不干的毛巾

水分子的吸附性给汤洪波用筷子夹茶水提供了方便,只要筷子接触到漂浮空中的水珠,它就会整个儿吸附在筷头上,航天员可以毫不费力地将它送进嘴里。

神舟十二号航天员们通过“筷子夹茶水”这样一个简单有趣的实验,向中小学生们生动展示了水在太空中的神奇特性:它会因为失去重力而漂浮在空中;因为表面张力而团成一个小球;因为氢键造成的黏性而吸附在筷子上。这些都涉及基础的力学知识。

不只是中国,国际上几个主要航天大国都在宇宙探索活动的同时,也不忘向公众特别是向孩子们做科普。阿波罗15号登月任务中,宇航员特意将一枚老鹰羽毛带到月球,利用月球的真空环境做了一次自由落体实验。

月面上的自由落体实验

宇航员将1.32公斤重的铝制地质锤与30克重的鹰毛举到约1.6米高度再同时松手,视频显示地质锤与羽毛几乎同时落在月面上,从而证明伽利略的自由落体定律是对的。地球表面有稠密大气,同样的实验几乎不可能做成,空气阻力会极大地拖慢羽毛的下降速度,从而给人“重量越轻下落越慢”的错误理解。

锤子与羽毛同时落下

神舟十二号航天员在“开学第一课”上挑战“用筷子喝茶”,并不是因为没别的实验可做,而是这个实验足够好玩,同时能利用我们最熟悉的工具传授更多科学知识,让学生通过生动的实验提升对物理、对太空探索的兴趣。这种实验不需要花许多钱,却能让孩子们受益终生。

科普也可以很有趣,不是么?