□文/ 南京信息工程大学物理学教授、博导 刘玉柱 南京信息工程大学 周卓彦

2022 年3 月23 日15 时44 分，“天宫课堂”第二课正式开讲。在约45 分钟的授课中，航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，生动演示了微重力环境下的太空“冰雪”实验、液桥实验、水油分离实验、太空抛物实验等，展示了部分空间科学设施，介绍了在空间站中的工作生活情况。此时，3 位航天员已顺利“回家”，但他们为青少年朋友开设的“天空课堂”仍让大家记忆犹新。我们不妨来探讨一番这些实验背后的科学原理，同时了解一下它们在我们生活中的应用吧！

点水成冰——太空“冰雪”实验

大家是否还记得在上一次“天宫课堂”上，王亚平利用固水环制作了水膜、水球，并开展了一系列实验。而在第二次课上，王亚平没有再借助其他器具，而是取出水袋后直接轻轻挤压，液体在管口出现结晶。经过处理后，王亚平再次挤出液体，液体球静静地悬停在空间站内。接下来，奇妙的现象出现了：王亚平用蘸有粉末的小棒触碰液体球后，它开始“结冰”了！

实际上，这个“水球”的成分是过饱和的乙酸钠溶液。乙酸钠（也叫醋酸钠）在水中的溶解度会随溶液温度的上升而增大。将饱和乙酸钠溶液加热，它便有能力继续溶解更多溶质，再将“加料”后的溶液冷却，便得到了过饱和乙酸钠溶液。此时，如果没有新的溶质加入，它就会在水袋内稳定保持溶液状态，平安度过飞船发射的震动，顺利到达空间站。但这种溶液并没有表面看起来的那样平静，只要再加入一点点无水乙酸钠粉末，“水球”便会从粉末所接触的地方开始结晶，结晶过程中还会释放热量。

那么，为什么要把“冰雪”实验带到太空呢？这是因为空间站拥有微重力环境，过饱和溶液不需要容器盛装就能在空中形成溶液球。如果在地面进行这项实验，溶液受到容器的限制，只能向内结晶。而太空中的微重力“无容器”状态，可以让溶液在悬浮状态下完成结晶，从而观察到不受地球重力影响的材料物性变化。

可能有同学要问了：这个实验在我们的生活中有什么具体应用吗？由于结晶时会释放大量热量以及它独特的触发条件，这一原理在生活中常用于制作“暖宝宝”。这种“暖宝宝”只要对它进行挤压或其他触发方式，它就能发热。同时，这一触碰发热的特性也常常用在一些特殊条件的工业生产中。

太空“冰雪”实验

遇水架桥——液桥演示实验

在进行讲解之前，大家不妨想一想，是否对液桥实验有些似曾相识的感觉？没错！在上一次 “天宫课堂”中，王亚平就制作了一张漂亮的水膜，还将一朵与她女儿一同制作的纸花放置在水膜上。在水表面张力的作用下，纸花沿着水膜表面慢慢绽放，成就了温馨又经典的一幕。这次实验同样也是向大家展现出了水的表面张力。在实验中，王亚平手持两片塑料板，叶光富在塑料板表面上分别挤上水，两片塑料板逐渐接近，水便在板间连起了一座“桥”。王亚平将塑料板的距离拉远，“桥”也没有断开。这便是液桥现象。

在太空微重力环境和液体表面张力的共同作用下，液桥形成了。表面张力像是给液体披上了一层带有弹性的保护膜。我们轻轻地吹叶子上的小水滴时，你会发现吹不动，就是因为这层保护膜在“保护”水滴的形状不被破坏。

其实在地面环境中，液桥也并不罕见。洗手时将两根湿漉漉的手指贴合，再缓慢分开一小段距离，指间会出现一段小液柱，这便是液桥。不过，由于液体表面张力很弱，在正常的重力环境下，液桥的尺寸通常难以超过几毫米。而在空间站微重力环境下，表面张力便能“大显神通”，可以维持大尺寸的液桥。

液桥实验

虽然在地面上很难做出长长的液桥，但是大家可以在家尝试许多表面张力的替代小实验哦。在这里给大家布置一个实验任务：找一个玻璃杯，装满水，然后一点一点地向里面放入回形针，观察水是否会溢出、液面又会发生什么变化。大家可以自己动手试一试。

除此之外，生活中处处可见表面张力的身影，比如水黾能站在水面上正是利用了水的表面张力。在通常情况下，水的表面张力对于水黾来说十分巨大，水黾的一条腿就能在水面上支撑起15 倍于自身的质量。所以，水黾可以很轻松地站立在水面上。这时肯定会有同学提出疑问了：“人能像水黾一样站在水上吗？”很可惜，答案是不能，就是因为人自身的重力远大于水的表面张力，因此尽管知道是水的表面张力使水黾站在水上，人类也无法模仿水黾。但是，如果有一天我们能够发现表面张力更大的液体，也许就可以真正实现“轻功水上漂”。

人造“重力”——水油分离实验

在课堂上，王亚平手中的小瓶装着水、油两种物质。在空间站环境中，晶莹剔透的油滴并不会像在地面一样上浮，而是与水相混合，这和上一次“天宫课堂”中的泡腾片不断翻腾的气泡现象相互呼应。不过，在叶光富用一根绳子系住小瓶并快速旋转后，由于离心力的作用，水、油则出现了分层。它们背后的原理都是在微重力环境下密度分层消失，这是微重力环境最直观的应用。

有同学又要问了：“什么是离心力呀？”当物体做圆周运动的时候，就会受到离心力的作用。同学们有没有转过笔呢？经常转笔的同学是不是发现笔转着转着就好像“活”起来了，一个劲儿地想要逃出你的手掌而不是往你手里面钻呀？这就是离心力的体现。其实，离心力类似于重力，只不过方向是指向外侧的。洗衣机甩干桶就是利用离心力工作的。在水油分离实验中，密度较大的水受到的离心力大，而密度较小的油受到的离心力小，因此更“重”的水就被压在了下层，而油处在上层。

在这里，我要考考大家了：为什么要把空间站的失重环境称为“微重力环境”呢？其实，空间站虽然拥有失重环境，但它并没有脱离地球引力。在距离地球约400 千米的轨道上，空间站受到的重力大约是地面重力的88.5%，并没有显著小于地面重力。空间站之所以能形成微重力环境，是因为它具备极高的飞行速度，此时重力成为恰到好处的向心力，让空间站能围绕地球运行。但地球并非均匀的球体，空间站的速度也并非恒定，因此空间站内的环境是“微重力”而非“零重力”。

水油分离实验

墩墩飞天——太空抛物实验

北京冬奥会吉祥物冰墩墩也亮相太空课堂啦！身处空间站的航天员居然早就实现了“冰墩墩自由”，令一“墩”难求的我们着实眼馋。王亚平将可爱的冰墩墩抛出，它并没有像在地面上一样掉落，而是沿着直线“飞”了出去。这是空间站微重力环境最直观的体现，虽然实验十分简单，但能令我们产生无限畅想！

且慢！大家想想，冰墩墩真的是在做直线运动吗？其实，冰墩墩和空间站都是在环绕地球运动的。在地面上看，冰墩墩走的可不是直线，而是跟空间站一样，是一个圆弧！ 那么，到底谁对谁错呢？其实，两种说法是等价的，只是视角不同而已。

王亚平和冰墩墩同框

虽然大家早就知道失重环境下的平抛运动，但恐怕很多同学还是第一次亲眼证实了这个理论吧！太空中的平抛运动实在是太有吸引力了！一旦同学们的思维被放大到宇宙尺度，畅想便自然而然地发生了。既然在地面上抛出物体的速度越大，它就能落到越远的地方，那如果抛出物体的速度足够大，它是否能成为环绕地球的卫星？

这个思想实验也被称为“牛顿的高山大炮实验”，由它引出的第一宇宙速度等概念，成为发射人造卫星、空间站的重要依据。

100 多年前，爱因斯坦就提出了等效原理。他说：“物体在引力场中等效于参考系具有反向的加速度。”比如，我站在电梯中，感受到电梯对我的支持力，这既有可能是因为电梯停在地球上，地球对我有向下的引力造成的，也有可能是电梯在茫茫宇宙中不受到引力，但是电梯向上加速造成的。想象一下，如果汽车猛地向前加速，你是不是会有推背感？

现在，空间站几乎只受到地球引力，所以在空间站内部看，物体的表现就跟不受重力的环境一模一样。因此，特技傍身的冰墩墩只会出现在太空中。回到地面上，这特技可就不灵了。

空间科学设施展露真容

·高微重力科学实验柜

“天宫课堂”上，航天员叶光富打开一段此前拍摄的视频。画面中，他用手轻轻推动了面前的悬浮实验台。出乎意料的是，实验台没有直接飘走，而是略微移动后又稳稳地回到原位。

悬浮实验台正是高微重力科学实验柜的一部分，这一实验柜能为科学实验提供地面上难以实现的极限条件。

一般而言，空间站的微重力水平在10-5~10-3g。而在高微重力科学实验柜研制中，中科院空间应用工程与技术中心的研究人员将微重力水平提升了2~3 个数量级，达到10-7g 水平，相当于这个实验柜中的重力是空间站中的1‰。

悬浮实验台

为实现如此高的微重力水平，研究人员设计了双层实验系统，通过外层喷气、内层磁悬浮的设计，让实验系统“悬浮”起来，从而最大限度地消除振动，完成微重力水平的极限挑战。科学载荷安装于内体上，隔离外部的各种扰动力。

在这个实验柜里，科学家可以开展许多在引力环境下难以完成的实验。比如，高精度的原子钟需要冷却铯原子，在微重力下更方便；还可以用来寻找引力波、验证广义相对论的等效原理等。感兴趣的同学，可以自己去了解一下。

·无容器材料实验柜

在介绍完高微重力科学实验柜后，王亚平又向我们展示了通过无容器材料实验柜进行的锆金属熔化与凝固实验。一颗金属小球悬浮在实验腔体中，经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节后，实验完成。

这便是无容器材料实验。通常熔炼物质都需要使用容器承载熔体，往往会引入杂质，在熔体凝固过程中，会受器壁影响，生长出复杂的微观组织形态。顾名思义，“无容器”就是不用容器承载，使实验样品在悬浮的状态下完成熔炼，能够抑制异质形核。空间站的无容器实验样品还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层，利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备。

科研人员基于先进的静电悬浮技术，开发了这套全新的无容器材料实验柜。目前，基于无容器材料实验柜开展的科学项目正在进行中。科学家已经对一些样品开展了深入研究，例如锆的熔化、冷却凝固过程的研究，并且取得了一些新发现。

今年，“问天”“梦天”实验舱将陆续发射，上面会搭载更多的实验柜。

无容器材料实验柜

天地互动环节依旧精彩

实验做完了，又到了同学们最感兴趣的天地互动环节了。大家围绕空间站的各种问题展开讨论，交流自己的看法，抒发自己的独特观点，情绪高涨。在这里，就和大家讲一讲互动中同学们提出的两个问题。

·空间站里流眼泪是怎样的

在太空中，由于没有重力，人的泪腺虽然能够产生眼泪，但眼泪是流不出来的。如果泪腺持续产生眼泪，眼泪就会堆积，最后在眼睛中形成一个水球。这种情况在太空中是非常危险的，如果液体体积较大，容易影响到空间站里的电气设备。所以，航天员一旦有了眼泪，就要尽快用毛巾吸干。

3 位航天员在和同学们进行互动交流

同学们认真听航天员讲课

·航天员的作息如何安排

在近地轨道飞行的载人航天器一般90 分钟绕地球飞一圈，也就是说，一个昼夜的周期只有90 分钟，白天、黑夜各有45 分钟，24 小时内有16 个昼夜交替变化。为了保持在地球上形成的生命节律，航天飞行中仍以24 小时为周期安排航天员的作息时间，一般8 小时工作，2小时用餐，1.5~2.5 小时锻炼，3.5~4.5 小时自由活动，8 小时睡眠。为了不使快速的昼夜节奏影响睡眠，睡眠时应戴上眼罩。更先进的办法是用灯光亮度的变化来模拟地面上的昼夜节奏，以保证航天员能有很好的睡眠。

2022 年4 月16 日10 时许，“神舟十三号”载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，航天员翟志刚、王亚平、叶光富平安返回，感觉良好！飞行乘组在空间站工作生活了183 天，创下了中国航天员连续在轨飞行时长新纪录。