今天15點40分,“天宮課堂”準時。
随着一顆旋轉的陀螺,鏡頭轉入了中國空間站。随後,神舟十三号乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富組成的“授課小組”不僅對在軌工作場景進行了介紹,還在失重條件下為大家演示了多項教學實驗。這也是繼2013年首次太空授課活動後,“太空班”再次開課。
上課啦上課啦!丨央視新聞
對于很多科學知識而言,我們通過理論分析可以推測相關的現象。即使如此,當直觀的展示如此真實地呈現在我們面前時,每個人仍然會被科學之美所震撼。
“天宮課堂”便向你與我揭開了宇宙之美中神秘的一角。
王亞平将一朵她和女兒在地球上做的小花折紙放在了水膜上,讓這朵花在太空中綻放丨央視新聞
回顧本次課堂,水真是刷滿了存在感:水膜、水球、充滿氣泡的水滴……水在空間站裡變成仿佛擁有了魔法,成為了獨特的存在。航天員如何制作球形水?做完實驗後又該如何清理它們呢?
太空球形水,你家也有同款“太空教師”王亞平從水袋裡擠出了一些水,這些水自然而然地變成了球形,并懸浮在空中。
擠出的水變成了懸浮的水珠丨央視新聞
随後,王亞平使用圓形支架在水袋取出了一張水膜,并放入了那朵與女兒制作的小紅花。小紅花在水膜上逐漸。紙張的主要成分是纖維素,這種物質相當親水。當紙片接觸到水時,毛細作用會使水快速地進入紙張纖維的縫隙中,将紙浸濕。紙張纖維吸水膨脹,這會使折痕逐漸平展,制造“開花”的效果。
随後,王亞平繼續向水膜中加水,讓它變成了一顆晶瑩剔透的水球。
在空間站環境下,不再受重力束縛的水總是會懸浮在空中,并形成圓圓的“水球”。即使輕輕擾動水球,它也依然會恢複球狀——這是因為在表面張力的作用下,水總是傾向于保持表面積最小的形态。
水在失重環境下聚成大水球,甚至還能當透鏡 | 央視新聞
表面張力是由分子間作用力産生的,因此它的效果在失重環境下不受影響,而且還因為去除重力因素而看起來更明顯了。
我們可以這樣理解表面張力的産生:
在水的表面,水分子在内外兩側受到了不同的分子間作用力:内側的力來自其他的水分子,外側的力則來自空氣分子。空氣對水的作用力比水分子之間的作用力要小很多,因此表面的水分子就産生了向内收縮的趨勢。
表面張力大小與液體的性質有關,水分子之間存在較強的氫鍵作用,因此水擁有相當大的表面張力。
本次實驗中,航天員們制作了一個“空心水球” | 央視新聞
失重狀态下的“球形水”非常引人注目,不過觀察這種現象也不是必須飛到太空。其實,我們身邊就有許多因為失重變成球形的水,比如從水龍頭滴下的水滴,或者從天而降的雨水(當然,受空氣阻力影響,下落的水滴其實底面會變得有些平)。
在地球上,自由下落的水滴同樣也會變成球形 | Chris 73/Wikipedia
吹個大氣泡展示完球形水後,王亞平将水球染成了藍色,并向其中投入了半顆泡騰片。泡騰片迅速産生了大量的氣泡,但神奇的是,這些氣泡并沒有溢出,而是讓水球變成了氣泡球。
這是因為,和表面張力不同,浮力是依賴重力的作用力。因此到了失重環境中,浮力就會“失效”:水中的氣泡不再浮上表面,而是長時間呆在水的内部,很難消散。如果在失重“水球”中吹一些氣,或者放進泡騰片,都能很好地觀察到這種現象。
在水球中加入染料和泡騰片|央視新聞
這顆藍色的氣泡球就宛如我們美麗的地球,我們隻有在太空中才能一睹它的全貌。而這或許就是我們向往太空的原因之一。
怎麼收拾?在太空玩水球是非常直觀的實驗演示,但做完實驗認真收拾也很重要——畢竟,任由水滴四處飄散有可能會導緻設備損壞。
在本次太堂裡,航天員在将水膜上的紙花收起來時,使用了紙巾将紙花包裹住。其實在失重狀态下,太空中的水滴是可以被紙巾或毛巾迅速吸收的。這是因為,毛巾吸水依賴的毛細作用也是來源于分子間作用力,因此效果不會受到失重的影響。
不過,親水的毛巾與水之間有較強的分子間作用力,在缺少重力的環境下想要把水再擰出來就比較困難了……
缺少了重力作用,擰毛巾就比較困難了 | Canadian Space Agency
在失重環境下,毛細作用還應用到了意想不到的地方:有人利用它設計了一款适合太空的咖啡杯。這種杯子不再是圓柱形,而是形成了一個窄窄的尖角,液體可以在這裡通過毛細現象自發地爬升到杯口,這樣即使沒有重力也能方便地喝到咖啡,而且不會讓液體四處亂跑。
這次的太空課堂有趣而生動,但這也隻是探索深空過程中的一聲弦外之音,正如王亞平在實驗演示結束時說的那樣:
“地球,是我們人類在宇宙中的搖籃。但是人類不可能永遠生活在搖籃裡。如今,我們已經擁有了自己的空間站。相信未來,中國人的腳步一定會踏入月球、火星和更遠深空。”
本文來自公衆号 ,作者:窗敲雨,編輯:Luna、Owl,36氪經授權發布。
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