太空科学课（一）

太空熊猫君

2021年10月16日0时23分，牵动着全国人民心弦的神舟十三号载人飞船顺利进入预定轨道。不久后，飞船与天和核心舱成功交会对接，中国空间站迎来了第二批住客——翟志刚、王亚平、叶光富。三名航天员自此开始了长达六个月的太空生活。刚刚进入太空没几天，翟志刚和王亚平就在全国人民的关注下，出舱执行了一次任务，王亚平也成为我国首位执行出舱任务的女性航天员。王亚平还在空间站里进行了太空授课。

这并不是王亚平第一次进入太空，更不是她第一次进行太空授课。早在2013年6月，王亚平就曾参与执行神舟十号飞行任务，并担任太空授课的主讲老师，在天宫一号空间实验室为8万多所学校、6000多万名学生，带来了一堂40分钟的太空科学实验课。

在这次太空授课中，王亚平担任主讲老师，指令长聂海胜担任助教老师，航天员张晓光负责摄像，那么，太空教学三人组都进行了哪些实验，这里面都涉及了哪些科学原理呢？今天我们就来解读第一个实验——“太空神功”。

直播画面中，聂海胜盘起双腿，悬浮在实验舱中，王亚平轻轻一推，聂海胜立刻被推走，仿佛气球一般，甚至还在空中翻起了跟头。这个实验的原理并不复杂：因为实验舱的内部是失重的，所有的物体都会悬浮在空中，而王亚平推聂海胜之后，由于惯性的作用，聂海胜就会越飞越远了。天宫一号内部处于失重环境，是因为它不受地球引力影响吗？实际上，距离地面大约300多千米的天宫一号受到的地球引力是不能被忽视的。或者说，恰恰是因为地球引力的作用，天宫一号才能够环绕地球飞行。假若航天器没有在高速飞行而是相对地面静止于天空上，则必然会被引力拉扯从而坠向地面。那么，为什么画面中的航天员都处于失重状态呢？这不矛盾吗？这就要用天宫一号的运动状态来解释了。

天宫一号的飞行轨道距地面约350千米，环绕地球飞行一周约90分钟。为了保证自身既不会由于速度太慢而坠入大气层，也不会因为速度太快而飞离地球，天宫一号必须保持接近于第一宇宙速度（7.9千米/秒）的速度绕地球进行圆周飞行。任何一个做圆周运动的物体，都一定会获得向心力，对于天宫一号来说，它高速运行时获得的向心力就是由地球对它的引力提供的。地球引力拉扯着天宫一号高速转圈，形成了一种平衡，也无法再额外提供竖直向下的重力了，所以画面中的航天员都处于失重的状态。

航天员聂海胜被轻轻一推就飞了出去，这就是惯性的“功劳”了。我们应该非常熟悉“惯性”这个概念：开车的时候，即使停止踩油门，但不踩刹车的话，车也很难马上停下来;如果司机忽然来个急转弯，乘客则会向着相反的方向倾倒……这都是由于惯性的作用。牛顿对惯性定律做出了非常准确的表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。這就是著名的牛顿第一定律，又称惯性定律。

然而虽然说起来轻巧，人类认识惯性的过程却并不容易。早在2300多年前，古希腊哲学家亚里士多德就通过对自然事物的观察，将运动分成了自然运动和受迫运动。自然运动是指，月亮以下的世界是由土、水、火、气四种元素构成的，每种元素都有着自己的运动倾向：土最重，会向下沉;水次之，也会向下沉;火较轻，会向上浮;气最轻，自然会向上浮。除此之外受到外力的运动则是受迫运动。亚里士多德认为，力是物体运动的原因，物体受力就会运动，而当物体不受力的时候，它就会静止。

直到1900多年后，意大利科学家伽利略才第一次正式向亚里士多德的理论发起了挑战，他做了著名的斜面实验。在实验中，伽利略让钢球从斜面滚下，钢球会自然滚上前方的另一个斜面，无论前方的斜面坡度如何，钢球都会滚到和下落前同样的高度。这让伽利略开始思考，如果钢球滚下之后，前面不再是另一个斜面，而是一个无尽的、绝对光滑的平面，钢球岂不是会一直向前运动下去？虽然我们找不到一个没有摩擦力的无限平面，但是现在伽利略的思考已经被证明是对的，在这种情况下小球会一直沿直线运动下去。后来，法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，他提出：如果运动中的物体没有受到其他外力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。这便是牛顿第一定律的雏形。

惯性在生活中的应用十分常见，早在惯性定律发现之前，人类在战争中使用的射击武器、为了娱乐发明的各种球类运动，乃至平时抖落灰尘、甩掉手上的水，其实都是在利用惯性。不过惯性也会给我们带来很多麻烦，例如奔跑中不容易快速改变方向、急刹车时身体会向前倾等。

惯性在太空中仍然存在。航天器想要进入太空，需要火箭提供强大的动力，但在太空中的运动就不需要这么强大的动力支持了。由于惯性的存在，航天器可以毫不费力地保持运动状态，节能又环保。然而如果飞向了错误的方向，调整行进方向也是十分困难的。科幻电影《地心引力》中就有这样的场景：遭遇事故的航天员被撞离空间站，他如果身上没有动力装置，就只能飞向茫茫宇宙，再也无法返回空间站了。

太空第一课中，虽然王亚平只是轻轻推聂海胜，但理论上讲由于惯性聂海胜会保持运动状态一直飞出去。当然啦，即便实验舱是无限大的，聂海胜也会由于其内部的空气阻力最终停下来，不过这个小实验依然可以让我们对惯性定律有一个更直观且有趣的认识。

小小的一推只是太空第一课的开始，后面王亚平还会操作哪些实验，这些实验又包含哪些科学原理呢？我们下期再来一起解读吧！