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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