當(dāng)我們在地球上生活時，重力如同一位 “隱形巨人”，掌控著萬物的運動與形態(tài)，塑造了日常所見的種種現(xiàn)象。而在遠(yuǎn)離地球引力、近乎失重的太空微重力環(huán)境下，世界將呈現(xiàn)出怎樣超乎想象的奇妙景觀呢？
火焰的“變身魔法”——球形火焰實驗
在中國空間站的夢天實驗艙內(nèi)，一場神奇的火焰秀悄然上演。在地球上，蠟燭燃燒時，火焰總是迫不及待地向上躥升，好似被天空吸引。然而，到了太空微重力環(huán)境里，蠟燭燃燒產(chǎn)生的火焰竟搖身一變，成了一個近乎完美的球形，悠悠地飄浮在空中，如夢似幻。這究竟是何種魔力使然？
從科學(xué)原理上講，地球上火焰向上是因為重力引發(fā)的對流。熱空氣密度小，受重力 “驅(qū)趕” 向上攀升，冷空氣則順勢下沉填補空位，如此循環(huán)往復(fù)，形成對流?；鹧嬖谶@股上升氣流的裹挾下，只能被迫向上伸展。但在微重力環(huán)境下，重力這位 “指揮官” 悄然退場，對流現(xiàn)象隨之停止。燃燒產(chǎn)生的熱氣沒了向上的 “拉力”，便均勻地向四面八方擴散，火焰也就自然而然地蜷縮成了球狀。
球形火焰實驗
微重力下的燃燒過程與地球有諸多不同。首先，火焰的形狀改變影響了熱量傳遞方式，在地球上，熱傳遞主要靠對流、傳導(dǎo)和輻射，微重力下對流減弱，輻射占比增大。其次，燃燒產(chǎn)物的擴散也變得緩慢且均勻，不像在地球上會因?qū)α骺焖俦粠ё?。這對研究燃燒反應(yīng)動力學(xué)意義重大，能幫我們精確了解燃燒反應(yīng)的速率、反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度變化等細(xì)節(jié)，完善燃燒理論。
這樣的實驗具有非凡的科研意義，知曉微重力下火焰的特性，能為未來太空站的防火體系構(gòu)建提供關(guān)鍵指引。例如，設(shè)計更合理的火災(zāi)預(yù)警傳感器，其靈敏度和探測原理要適應(yīng)微重力下緩慢均勻的燃燒環(huán)境；在航天器的精細(xì)設(shè)計環(huán)節(jié)也能 “大顯身手”，如優(yōu)化燃料艙布局，考慮微重力下燃料泄漏燃燒的特殊情況，或許在不遠(yuǎn)的將來，還將成為保障星際遠(yuǎn)航安全的得力助手。
定律的“純凈舞臺”——動量守恒實驗
接下來，讓我們把目光投向空間站里另一項令人拍案叫絕的動量守恒實驗。科學(xué)家們在微重力環(huán)境下，精心設(shè)置了不同質(zhì)量鋼球的質(zhì)心碰撞場景。
在“天宮課堂” 第四課中，航天員們在空間站的夢天實驗艙里，給艙門貼上了一米見方的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格布，以此為背景進行動量守恒驗證實驗。航天員桂海潮拿出質(zhì)量為 500 克、直徑是 49.5 毫米的實心鋼球，以及質(zhì)量為 100 克的小鋼球，通過不同質(zhì)量鋼球之間的碰撞，包括同質(zhì)量鋼球的碰撞、小鋼球碰大球、大球碰小球以及斜碰等情況，展示了在微重力環(huán)境下，無論是接近于正碰的情況，還是斜碰的情況都滿足動量守恒。
鋼球動量守恒實驗
兩個鋼球在近乎失重的太空中慢悠悠地飄向彼此，當(dāng)它們輕輕觸碰、碰撞之后，各自的速度、運動方向遵循動量守恒定律有條不紊地發(fā)生變化。在地球上，日常物體的運動會受到重力、摩擦力等 “拉扯”，讓動量守恒定律這一基本物理法則總是遮遮掩掩，難以清晰呈現(xiàn)，而在微重力環(huán)境下，這一定律更加清晰的被論證。
動量守恒定律的本質(zhì)基于牛頓運動定律推導(dǎo)而來，系統(tǒng)不受外力或所受外力合力為零時，總動量保持不變。在微重力環(huán)境下，鋼球碰撞系統(tǒng)近似滿足不受外力條件，所以能完美展現(xiàn)定律。從實驗細(xì)節(jié)看，鋼球的質(zhì)量、初始速度、碰撞角度等因素都會影響碰撞后的動量分配?？茖W(xué)家通過精確測量這些參數(shù)，反復(fù)驗證理論公式，提高動量守恒定律應(yīng)用的精度。
這對太空探索技術(shù)研發(fā)助力巨大，衛(wèi)星對接技術(shù)便是典型代表。在浩瀚宇宙中，衛(wèi)星對接時相對速度、角度稍有偏差就會釀成大禍。利用動量守恒原理，工程師精確計算燃料噴射產(chǎn)生的推力、作用時間，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)與速度，實現(xiàn)精準(zhǔn)對接。此外，航天器的變軌、太空垃圾清理等任務(wù)也離不開它，保障太空任務(wù)順利進行。
旋轉(zhuǎn)的“守恒密碼”——又見陀螺與太空轉(zhuǎn)身現(xiàn)象
最后，讓我們聚焦空間站內(nèi)看似輕松卻暗藏玄機的又見陀螺實驗，以及宇航員們獨特的太空轉(zhuǎn)身現(xiàn)象，以及這里面暗藏的角動量守恒的神秘密碼。
在空間站微重力環(huán)境下，宇航員輕輕撥動陀螺，它便如同被施了 “定軸魔法”，持續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)動軸的方向幾乎紋絲不動。這神奇現(xiàn)象的根源，就在于微重力環(huán)境下，沒有了重力矩這個 “搗亂分子” 的干擾，陀螺的角動量穩(wěn)穩(wěn)地守恒著。
又見陀螺實驗
同樣的原理也體現(xiàn)在宇航員的太空轉(zhuǎn)身動作里?！疤鞂m課堂” 第四課上，航天員桂海潮先握住靜止的陀螺，左右手交替抬高、放下，身體姿態(tài)并沒有變化；而當(dāng)陀螺快速轉(zhuǎn)動起來后，再做出同樣動作，身體明顯發(fā)生了轉(zhuǎn)動，這背后體現(xiàn)的是角動量守恒原理。同時，桂海潮還介紹了空間站就是用同樣的原理在太空當(dāng)中轉(zhuǎn)身，即通過控制力矩陀螺高速自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的角動量，當(dāng)改變控制力矩陀螺方向的時候，就可以對空間站施加很大的力矩，改變空間站的姿態(tài)。
角動量守恒
角動量守恒與動量守恒有相似邏輯，系統(tǒng)所受合外力矩為零時，角動量守恒。對于陀螺，其高速旋轉(zhuǎn)時角動量很大，在微重力下，外界干擾力矩極小，所以能維持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。宇航員太空轉(zhuǎn)身時，身體作為一個系統(tǒng)，四肢動作改變轉(zhuǎn)動慣量，依據(jù)角動量守恒，旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)改變。這在太空行走、空間站內(nèi)的日常起居與復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行至關(guān)重要。例如，宇航員維修設(shè)備時，需精準(zhǔn)控制身體姿態(tài)，利用角動量守恒輕松抵達作業(yè)位置；進行太空實驗操作，穩(wěn)定的身體旋轉(zhuǎn)能輔助精準(zhǔn)操作儀器。
微重力下的這些奇妙現(xiàn)象，猶如宇宙灑向人類求知之路的璀璨星光，不僅讓我們大飽眼福，更是開啟星際征途、探索宇宙奧秘的關(guān)鍵密鑰。
部分信息來源于：央視新聞、環(huán)球網(wǎng)、人民網(wǎng)
（科學(xué)性審核：尹銳，中國載人航天工程航天員系統(tǒng)副總指揮）
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