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天宫课堂|专家解读“天宫课堂”第二课：太空实验背后的奥秘

新华社北京3月23日电 题：专家解读“天宫课堂”第二课：太空实验背后的奥秘
新华社采访人员李国利、黄一宸
3月23日下午 ， 中国空间站“天宫课堂”再度开课 ， “太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富演示了太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等 。
为什么要做这些科学实验？背后蕴含着哪些科学奥妙？与人类探索浩瀚宇宙又有什么关联？新华社采访人员采访多位专家一一解读 。
实验一：温热的“冰球”
【现象回顾】这一幕仿佛发生在“魔法世界”：透明的液球飘在半空中 ， 王亚平用一根小棍点在液球上 ， 球体瞬间开始“结冰” ， 几秒钟就变成通体雪白的“冰球” 。 王亚平说 ， 这枚“冰球”摸上去是温热的 。
【天宫课堂|专家解读“天宫课堂”第二课：太空实验背后的奥秘】【专家解读】“太空‘冰雪’实验实际上是过饱和乙酸钠溶液形核、结晶的过程 ， 过程当中会释放热量 。 ”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张璐介绍 ， 过饱和溶液结晶通常需要外界“扰动” ， 而这个实验的“玄机”就在于小棍上沾有晶体粉末 ， 为过饱和乙酸钠溶液提供了凝结核 ， 进而析出三水合乙酸钠晶体 。
【延伸阅读】在地面上进行结晶实验时 ， 晶体的样子可能因容器形状不同有很大差异 。 而在微重力环境中 ， 晶体并不受容器的限制 ， 可以悬浮在半空“自由生长” ， 这与中国空间站里的无容器材料实验柜相呼应 。 无容器材料实验柜目前主要有两个用途：一是实现材料在无容器状态下从熔融到冷却凝固的过程 ， 供科研人员收集物性参数进行研究；二是用于特殊材料在轨生长 ， 缩短新材料从实验室走向流水线、走进大众视野的时间 。
实验二：“拉不断”的液桥
【现象回顾】叶光富将水分别挤在两块液桥板上 ， 水球状似倒扣着的碗 。 液桥板合拢 ， 两个水球“碗底”挨“碗底”；液桥板分开 ， 一座中间细、两头粗的“桥”将两块板相连；王亚平再将液桥板拉远 ， 液桥变得更细、更长 ， 仍然没有断开 。
【专家解读】张璐介绍 ， 微重力环境与液体表面张力是液桥得以成形的主要原因 。 日常生活中的液桥不易被察觉 ， 比如洗手时两个指尖偶然形成几毫米液柱 ， 再拉远一点就会受重力作用坍塌 。 而在空间站里 ， 航天员轻松演示出比地面大数百倍的液桥 ， 这在地面上是不可能看到的景象 。
【延伸阅读】液体表面张力是“天宫课堂”中的高频词 ， 天宫一号太空授课、中国空间站首次太空授课做过的水膜、水球实验都阐释了这一原理 。 中国科学院力学研究所研究员康琦介绍 ， 空间站可以最大限度摆脱地面重力影响 ， 为包括液桥实验在内的流体力学研究创造了良好的条件 。 2016年9月15日 ， 天宫二号空间实验室带着液桥热毛细对流实验项目升空 。
实验三：“分不开”的水和油
【现象回顾】王亚平用力摇晃一个装有水和油的瓶子 ， 让水油充分混合 ， 瓶中一片黄色 。 时间一分一秒过去 ， 瓶中没有发生任何变化 ， 油滴仍然均匀分布在水中 。 叶光富前来助力 ， 抓着系在瓶上的细绳甩动瓶子 。 数圈后 ， 水油明显分离 ， 油在上层 ， 水在下层 。
【专家解读】“我们都知道地面上油比水轻 ， 平时喝汤的时候看到油花都习以为常 。 ”中国科学院物理研究所研究员梁文杰说 ， 然而在空间站中 ， 情况却大不一样 ， 水和油之所以“难舍难分”、长时间保持混合态 ， 是由于在微重力环境下密度分层消失了 ， 也就是浮力消失了 。
“水油在天上成功分离的原因是 ， 瓶子高速旋转时类似离心机 ， 可以理解为离心作用使得浮力重新出现了 。 ”张璐说 。
【延伸阅读】科研人员可以借助微重力环境特性开展研究 ， 例如利用密度分层消失 ， 在微重力环境下向熔融合金中注入气体 ， 可以得到航空航天、能源和环保领域的重要材料——泡沫金属 。
与之相关的是 ， 高微重力科学实验柜能够提供高微重力环境 ， 其内部微重力水平是空间站舱内百倍到千倍 ， 更接近真实宇宙空间；外部设计气浮、磁浮两级悬浮 ， 减轻了空间站姿态和轨道控制机动产生的加速度、各类仪器运转产生的力矩和震动、航天员活动带来的质心变化和冲击、太阳风和稀薄大气的扰动等干扰因素影响 ， 能够支持更为精密的科学实验 。
实验四：翻跟头的“冰墩墩”
【现象回顾】北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”压轴登场 ， 迎来太空之旅的“高光时刻” 。 王亚平水平向前抛出“冰墩墩”摆件 ， 一向憨态可掬的“墩墩”姿态格外轻盈 ， 接连几个“空翻”画出了一条漂亮的直线 ， 稳稳站在了叶光富手中 。
【专家解读】太空抛物实验展示了牛顿第一定律所描述的现象 。 在空间站中 ， “冰墩墩”摆件被抛出后几乎不受外力影响 ， 保持近似匀速直线运动 。 “天宫课堂”地面主课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健介绍 ， 地球人眼中物体运动的理想状态 ， 如今得以在太空中一探究竟 。
【延伸阅读】我们为什么要开展在轨科学实验？张璐介绍 ， 目前正在进行的实验项目 ， 一是要揭示微重力环境下的特殊现象 ， 属于从科学角度认识世界；二是通过在轨实验助力地面科学研究 ， 改进工艺水平；三是舱外有高真空环境、辐照、亚磁场等 ， 这些特殊环境因素对生物体、材料、元器件等影响也是我们要研究的内容；四是进一步探索未知领域 ， 包括暗物质探测、行星起源探索等 。 问天、梦天实验舱发射升空后 ， 还会有一大批前沿科学实验陆续在中国空间站开展 。
 

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