太空科学课（八）——在太空中转身，原来是个大难题

文/太空熊猫君

在没有重力和摩擦力的太空，行动起来特别方便：你可以随心所欲地飞到任何地方，也可以毫不费力地举起任何物体。但是你知道吗？太空中也有我们想象不到的“麻烦”。

在中国空间站首次太空授课时，一位同学通过天地连线，向航天员提了一个问题：“航天员在太空中，能跟在地面上一样正常行走吗？”

为了回答这个问题，王亚平请叶光富表演一段“太空步”，结果虽然叶光富的双腿快速迈动起来，但是他的身体不但没有前进，反而向侧面倾倒了。原来，我们之所以能够在地面上走路，其实是地面的摩擦力在“推”动我们前进。在走路的过程中，我们的双腿交替向前迈，接触地面的那只脚会给地面一个水平向后的摩擦力。根据牛顿第三运动定律，给物体施加一个力，就会受到一个方向相反的反作用力。正是地面给我们的反作用力，让我们可以向前行进。而在太空中，没有重力的作用，人体是悬浮在空中的，向后蹬出的双脚无法给任何物体施加作用力，自然受不到反作用力，也就无法前进了。

所以，太空中的航天员如果想要移动位置，就必须借助空间站内壁上的工具，通过拉动或者推动工具来获得自己行进的动力。

接下来的天宫课堂又向我们展示了太空转身的趣事。随着王亚平的一声口令“向后转”，所有地面上听课的同学都快速地完成了一个站立转身的动作，然而在太空中转身就没有这么容易了。叶光富再次担任太空助教，当他悬浮在空中尝试原地转身的时候，无论如何转动身体，都无法完成转身的动作。当他上半身向左转的时候，下半身就会向右转，反之亦然。那么，在太空中要如何完成原地转身这个动作呢？王亚平根据同学们的提议，选出了两个办法——使用游泳的姿势，或者通过吹气的方式。这样能不能让自己原地转身呢？结果都是徒劳。

难道在太空就不能转身了吗？王亚平提出了自己的想法：伸出右臂，快速地画圈。这个方法能够奏效吗？用实践说话——助教叶光富举起右臂，向后绕着肩关节转起了圈，与此同时，他的身体也旋转了起来；叶光富的右臂反过来从后向前旋转，身体就会朝反方向旋转。这个方法奏效了！

为什么旋转手臂可以让人转身呢？这背后的科学原理大家应该并不陌生，因为我在之前的文章中讲过——角动量守恒原理。旋转起来的物体会获得一种角动量，没有外力影响，它的角动量就不会发生变化。我们生活在地面上，受到重力和摩擦力的影响，平时很难直观地注意到角动量守恒的现象。而在太空中，角动量守恒的作用就会非常明显。刚才我们提到过，当叶光富尝试直接旋转身体的时候，他是无法成功转身的。此时他的角动量为0，如果没有外力推动他，无论如何扭动身体，他的角动量仍然是0——即便上半身向左转了，产生了一个角动量，他的下半身会自然地向反方向旋转，两个运动互相抵消了，整个身体的角动量为0。

而旋转手臂的效果就不同了。当我们将右臂伸直旋转起来的时候，身体其实是会向与手臂相反的方向旋转的，但是由于手臂在我们身体上所处的位置比较偏（位于上半身的一侧，离质心较远），不足以让整个身体发生前后明显的翻转，所以会让身体产生转身的动作。

为了更好地理解角动量守恒原理，还有一个更直观的实验，叶光富也向我们进行了展示。当他张开双臂在太空中旋转起来之后，收回自己的双臂，身体的转速明显加快了。这是因为，角动量的大小取决于物体的动量与位置矢量，简单理解就是物体的旋转速度和旋转半径共同决定了角动量的大小。当叶光富旋转起来后，自身就具有了一定的角动量，收回手臂之后，旋转的半径缩小，但是角动量不变，所以旋转的速度就变快了！

我们在地面上也可以进行这个实验，你可以在公园健身区的转盘或者冰面上来尝试。当你张开双臂旋转起来后，快速收回手臂，可以明显感受到你的转速加快了，这就是角动量守恒原理。不过做实验时要注意安全，一定要在家长的陪同下来操作哟！