冰墩墩太空空翻？可用液體搭橋？人類太空授課珍貴畫面來了

本文專家：劉艷，中國科學院空間應用工程與技術中心

“網(wǎng)課天花板”又更新啦！

2022年3月23下午15點40分許，我們的“太空出差三人組”又給地球人帶來天宮第二課了！

來源：央視新聞

什么？什么？聽說在中國空間站上：

“

王亞平老師制作出了“冰球”？

頂流冰墩墩上太空了？

在太空可用液體搭一座橋？

還有天地互動？

”

搬好小板凳，重點來了~

太空“冰雪”實驗

失重狀態(tài)下飽和液體結(jié)晶現(xiàn)象會是怎樣？

在地面上，利用飽和液體結(jié)晶是分離和提純固體物質(zhì)的一種方法。

來源：中國數(shù)字科技館、科普中國

過飽和溶液是指濃度超過理論平衡濃度的溶液，多余的溶質(zhì)會析出結(jié)晶，通過過濾、洗滌、烘干等步驟可以提取到純度更高的固體物質(zhì)。

過飽和溶液是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，受到外界因素擾動時，容易結(jié)晶。結(jié)晶會受很多因素影響，如溫度、壓力、剪切力、超聲、外界磁場等。結(jié)晶的過程是在外界因素的影響下首先形成晶核，晶核逐漸長大完成結(jié)晶過程。

天宮課堂中王亞平老師在前兩次擠過飽和溶液的過程中，在管口即發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象也說明了過飽和溶液的不穩(wěn)定性，擠壓帶來的壓力誘導了結(jié)晶。

在失重條件下，醋酸鈉溶液可以脫離容器成為穩(wěn)定的液體球。王亞平老師通過蘸取結(jié)晶核的方式誘導醋酸鈉過飽和液體球迅速完成結(jié)晶。結(jié)晶是一個放熱的過程，所以冰球摸上去熱乎乎的。

來源：央視新聞

來源：中國數(shù)字科技館、科普中國

在地面只能在容器中進行過飽和溶液的結(jié)晶實驗，結(jié)晶時生成的冰晶形狀與容器一樣，無法和空間一樣成為冰球。

液橋演示實驗

失重環(huán)境下水的表面張力還在嗎？

液橋是兩個固體之間的小液體柱。

液體表面張力是作用于液體表面，使液體表面積縮小的力。液體都具有表面張力，尤其在失重作用下，表面張力更會“大顯神威”。

表面張力使得液體表面相當于存在一個類似“彈性薄膜”一樣的東西，束縛著液體的運動。它的本質(zhì)是液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就比如拉開彈簧時，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。

在地面重力作用下，由于表面張力很弱，所以在正常重力環(huán)境下形成的液橋尺寸很小（通常只有幾毫米），超過這個尺寸，液橋?qū)o法平衡其重力而垮塌。

來源：中國數(shù)字科技館、科普中國

而在太空中，由于失重作用，可以形成直徑很大的液橋，ISS（國際空間站）上曾經(jīng)搭建過直徑50毫米的液橋。

指間的液橋，圖片來源：

http://www.csu.cas.cn/kxcb/kpdt/201609/t20160907_4659506.html

地面上液橋的尺寸雖小，可是卻不能小看它的作用哦！仔細觀察，生活中液橋的例子有很多：

沙灘上，干燥的細沙摻水后能捏出各種形狀；（這是由于水在細微的沙子顆粒之間形成了液橋，使得散沙能聚集在一起）

光滑的桌面上，蘸水的白紙被黏住，也是因為紙和桌面之間形成了液橋；

……

水油分離實驗

失重環(huán)境下水油分層現(xiàn)象會消失嗎？

在地面上，水和油是分層的，總是水在下面，油在上面。這是由于水和油不混溶，并且油的密度比水低，所以它就浮在水的上面。

來源：央視新聞

但是在空間站中，由于幾乎沒有重力影響，密度大的不再下沉，密度小的也不再上浮，水和油混在一起，看不出二者的界限。通過旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)水和油的分層。

那么這是為什么呢？

來源：央視新聞

在相同體積的情況下，水的密度大于油，水的質(zhì)量更大。根據(jù)向心力公式F=mrw2，當角速度w和半徑r相同時，質(zhì)量m大，水滴需要的向心力越大，即等效的離心力也就越大，所以質(zhì)量更大的水被甩到了瓶底。水和油實現(xiàn)了分層。

太空拋物實驗

天上地下拋物軌跡有啥區(qū)別？

在地面拋出物體，由于一直受到豎直向下的重力作用，分析它的運動軌跡，主要看拋出的速度沿著什么方向：

拋出速度在豎直方向時，不論上拋還是下拋都是直線變速運動；

當拋出物體的速度不再沿著豎直方向，不論是斜著拋出，還是水平拋出，物體運動都是曲線變速運動。

而在太空，由于在空間站艙內(nèi)，物體幾乎不受重力作用，不論往哪個方向拋，幾乎都可以看作是勻速直線運動，因為物體只受到微弱的空氣阻力作用，速度方向和大小的變化都很微小。

來源：央視新聞

因此，在空間站艙內(nèi)拋物要警醒，航天員要化身“哈利波特”，抓取飛物要穩(wěn)準狠，才能防止物體碰到其他儀器設備。

有人說，空間站離地球很近，大約在400公里，如果按照g=GM/r2計算的話，重力加速度大約為地面的0.9左右，重力加速度這么大，為什么是微重力呢？

空間站的微重力原理，

來源：http://www.cmse.gov.cn/xwzx/zhxw/202203/t20220315_49392.html

這是因為空間站繞地球運動，會有離心力作用，而它受到的重力與受到的離心力正好抵消，所以，艙內(nèi)所有的物體就不受重力作用了，會漂浮起來。

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