完全失重环境中的天宫课堂，给我们带来的不仅是知识，有趣且有用

本次“天宫课堂”第三课是中国航天员首次在问天实验舱内进行的授课，神舟十四号飞行乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲面向广大青少年进行太空授课。这次的授课精彩纷呈，让人印象深刻。

要理解这些授课内容及其背后的科学知识，我们就要首先了解一下有关“失重”和“完全失重”的知识！

在中学物理知识中，关于“失重”是这样描述的：

“失重”就是指物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的情况！此时物体有向下的加速度。

“完全失重”就是物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）变为零的情况！此时物体的重力加速度完全等于向下的加速度。

“完全失重”正是在空间站上的人和物体能漂浮起来的原因！当人与舱内物体之间没有内部的压力时，人当然就漂浮起来了，在实验舱内所做的各种科学实验之所以与地面上的都有不同表现，也主要是因此而产生的。

需要明白的是：此时，虽然空间站以及物体、人都处于“完全失重”状态，乍看似乎人与物体都不再受重力了，但是实际上，由于整个空间站都在围绕着地球做圆周运动，其向心力正是由其所受重力或者说万有引力所提供的的！也就是说此时舱体和舱内所有人以及物体都依然受到重力作用，此重力大小正好等于万有引力！

在本次“天宫课堂”中，3名航天员在中国空间站问天实验舱内介绍展示了工作生活场景，我们会发现在航天员的脚底下，有很多“把手”，航天员们用手攥住这些把手或者把脚钻进去，从而获得动力向前运动或者固定住身体状态，防止身体飘起来。航天员向我们介绍了此次的问天实验舱，里面组装了生命生态实验柜、生物技术实验柜等各个科学实验柜，还有科学手套箱、低温存储柜等科学实验设施。科学手套箱为我们提供了一个密闭洁净的操作空间，让我们的实验更加便捷可控，未来问天舱内还将安装一台灵巧机械臂和一套显微操作系统，在它们的共同配合下，就可以给细胞做手术、穿刺，操作精度可以达到5微米。

接着，航天员给我们展示了完全失重环境下的毛细效应实验、水球变“懒”实验、太空趣味饮水实验、会掉头的扳手实验以及植物生长研究项目介绍，并与地面课堂进行了互动交流。

实际上，这次航天员们所做的实验，很多都能在地球上进行，但是在太空中实验现象会发生新的变化。从而会从另一个角度验证相关科学原理。

科学实验——毛细效应现象：

航天员陈冬向我们展示了“毛细效应现象”，陈冬用三根粗细不同的塑料管放进黄色液体中，那根最细的塑料管液体上升的速度非常快、而且最先到达管口！此现象不但比在地面上做的同种实验更明显而且更快速。

其物理原理是：所谓的毛细现象，是指液体在细管状物体内侧,由于内聚力与附着力的差异,克服地心引力而上升的现象。中学物理对此的解释是浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象，叫做毛细现象。管的内径越细，毛细现象越明显。

其实毛细现象是一种在我们的生活中非常普遍的物理现象。比如毛巾可以吸水、植物根茎吸水，大树就是依靠根部极细的毛细管把水分和养分向上输送到树梢的。在太空中，由于完全失重，相当于没有了重力的限制，在液体表面张力作用下毛细现象更加明显，于是能升至细管顶部！这就是航天员陈冬所做的实验中液体能够快速升至管顶的原因，而在地面上，当液体受到向上张力跟液柱所受重力相等时，液体就会停止上升，从而达到平衡，因此在地面上的这个实验中，液体上升很慢，并且上升一段后就会停止了。但是太空中却几乎没有了重力的限制。这种看似简单的现象，其实具体的物理原理还是相当复杂的，科学家们通过研究这种看似简单的物理现象，然后去解决遇到的各种问题，比如航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了毛细作用。

科学实验——水球变懒现象：

航天员刘洋向我们展示了这个神奇的实验，她提前做好了一个水球，这样的水球我们已经比较熟悉了，因为在“天宫课堂”第一课时，我们就已经见过了，之所以出现水球而不会出现水洒一地，就是因为在完全失重环境下，水滴会在表面张力的作用下收缩成一个接近完美球体的水球，而在地面上，因为受重力影响，这些水会立刻洒落一地。

接着，刘洋用空的注射器喷出气体快速冲击水球，于是水球剧烈的振动起来，然后刘洋向水球内投入一个空心的钢球，钢球没有从另一端出来，而是仿佛有黏性一样又被拉回来水球内部，更有趣的是，再用空的注射器喷出气体快速冲击水球后，水球的振动竟然变小了！水球就像变“懒”了一样！

这个实验表明：在流体中加入小球使流体的振动发生了一定的变化，似乎起到了“减振”的效果，导致水球变“懒”了。

其物理原理是：当外力施加到水球上后，水就会发生共振，加入空心钢球后，水球固有频率会发生改变，导致相对不容易发生共振。

我们看直播时会发现，当时在地面上的实验中也有类似的实验，水里放一个球，水的震荡也减缓了。生活中，在挑水时，常常在水桶表面放一片荷叶，也是为了减缓水的震荡，其原理也正与此相同。

这种物理原理在航空航天中相当重要，比如说航天器在分离时加速度都会比较大，此时就会用到颗粒阻尼器，它具有吸能的作用，从而减少航天器与人受到的冲击。

科学实验——太空趣味饮水实验：

航天员刘洋又向我们展示了太空长管吸饮料实验，在该实验中，刘洋拿出一根2米长的细管，将细管的一头插入芒果汁饮料中，她吸了一口，饮料就很快地沿着管道进入刘洋的口中。

其物理原理是：在地面上由于重力作用，2米长的管子想要吸水是很不容易的，但在完全失重的太空环境中，只需依靠吮吸的力量，就可以轻松喝到水了。

科学实验——会掉头的扳手实验

航天员陈冬向我们展示了T字扳手实验，其实，这个实验最初是由苏联宇航员贾尼别科夫在空间站中偶然发现的，被称为“贾尼别科夫效应”，这种看似违反直觉的“旋转”其实符合物理原理，在太空中，旋转的T字形扳手在没有外力干扰的情况下，会自己掉头翻转。

T字扳手的旋转方式和质量的分布有关。具体来说，当刚体绕着它转动惯量最大的主轴，或转动惯量最小的主轴旋转时是稳定的，而绕着中间轴旋转时则是不稳定的。

正如实验中演示的那样，T字扳手左右旋转，扳手不容易调头，上下旋转扳手却容易调头。

以上这些物理实验非常有趣，而且有大量的生活应用，类似的几乎所有的科学知识都对我们现在的生活以及将来的生活有很大的帮助，会为人类的发展起到重要作用。

中学生朋友们，努力学习科学知识吧，为了祖国的美好未来，加油！