太空科學(xué)課（三）

太空熊貓君

相信很多同學(xué)都有過(guò)這樣一個(gè)疑問(wèn)：地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)得那么快，為什么不會(huì)飛出太陽(yáng)系呢？其實(shí)類似的問(wèn)題還有一個(gè)：中國(guó)空間站距離地表只有400多千米，為什么不會(huì)掉下來(lái)呢？這兩個(gè)問(wèn)題看似不同，其中包含的原理卻是一樣的。在第一次太空授課中，航天員王亞平為全國(guó)中小學(xué)生展示的太空單擺實(shí)驗(yàn)，就回答了這個(gè)問(wèn)題。

單擺是中學(xué)物理課上常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置——用細(xì)繩吊起一顆小球，將細(xì)繩的一端固定在支架上，當(dāng)我們拉起小球讓它自由落下，小球會(huì)在豎直平面內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)。而太空中的單擺則為我們展示了另外一種情形：王亞平輕輕推動(dòng)小球，小球卻開(kāi)始繞著細(xì)繩的頂端旋轉(zhuǎn)起來(lái)，做起了圓周運(yùn)動(dòng)。

其實(shí)，兩種運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)很接近，都是慣性和細(xì)繩拉力的復(fù)合作用，只是地面上的單擺還受到了重力的影響，上升到一定高度以后被重力“拽”了下來(lái)，才形成了往復(fù)擺動(dòng)的現(xiàn)象。不考慮空氣阻力和摩擦力的影響，地面上的單擺運(yùn)動(dòng)是具有等時(shí)性的——它完成一次擺動(dòng)的時(shí)間是一個(gè)定值，只和細(xì)繩的長(zhǎng)度以及所在地點(diǎn)的重力加速度有關(guān)，和擺動(dòng)的幅度及擺球的質(zhì)量無(wú)關(guān)。

最早發(fā)現(xiàn)單擺等時(shí)性的科學(xué)家是伽利略，他在1602年的一封信中就提到過(guò)單擺實(shí)驗(yàn)。相傳在1582年，還是比薩大學(xué)學(xué)生的伽利略在一所教堂中留意到了晃動(dòng)的吊燈，他用自己的脈搏對(duì)吊燈的擺動(dòng)周期進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)無(wú)論吊燈擺動(dòng)的幅度是大是小，它擺動(dòng)一次的時(shí)間總是相等的。為了探究這個(gè)問(wèn)題，伽利略將單擺簡(jiǎn)化成斜面，設(shè)計(jì)了我們第一課講過(guò)的斜面實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在，我們通過(guò)中學(xué)階段的物理知識(shí)就可以很好地描述理想情況下的單擺運(yùn)動(dòng)了。讓單擺進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力其實(shí)是重力與細(xì)繩拉力的合力，當(dāng)我們將小球拉到更高的位置，小球受到的合力會(huì)增大，小球的加速度也就越大。（有沒(méi)有想到我們講過(guò)的加速度定律？）雖然位置高，小球擺動(dòng)的軌跡更長(zhǎng)，但是更大的加速度讓小球擺動(dòng)的周期可以永遠(yuǎn)保持在一個(gè)固定值。

而在太空之中，這個(gè)問(wèn)題反而會(huì)大大簡(jiǎn)化。如果我們只是拉高小球，由于沒(méi)有任何力的作用，小球依然會(huì)在空中保持靜止不動(dòng)。我們用力推動(dòng)小球后，小球本該由于慣性而保持勻速直線的運(yùn)動(dòng)，但是細(xì)繩會(huì)一直拉扯小球，讓它無(wú)法繼續(xù)沿直線運(yùn)動(dòng)下去，而是繞著支架做起了圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)細(xì)繩的拉力就為小球的圓周運(yùn)動(dòng)提供了向心力。向心力不是具有確定性質(zhì)的某種類型的力，而是一種效果力，它可以是彈力、摩擦力、電磁力……所有物體在進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候指向圓心的力，都是向心力。

所以，重力當(dāng)然也可以作為向心力。我們向前扔出一顆石頭，石頭總會(huì)落在地上。如果你用力更大，石頭獲得了更大的速度，就會(huì)落在更遠(yuǎn)的地方。你可能會(huì)想，如果石頭的速度足夠快，會(huì)不會(huì)環(huán)繞地球甚至飛出地球呢？在火箭發(fā)明以前，這個(gè)設(shè)想只能是個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”，原因很簡(jiǎn)單：人類創(chuàng)造不出如此巨大的速度，但是這個(gè)想法卻直接奠定了航天理論的基礎(chǔ)。最早進(jìn)行這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的人是牛頓，他設(shè)想了一架可以為炮彈提供非常大的速度的超級(jí)大炮，速度達(dá)到多少時(shí)可以讓炮彈永遠(yuǎn)無(wú)法落到地面上呢？這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)后來(lái)被稱為“牛頓大炮”。牛頓分析發(fā)現(xiàn)，如果炮彈達(dá)到一定的速度，炮彈的重力正好等于向心力，炮彈就會(huì)環(huán)繞地球進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。將重力公式G=mg和圓周運(yùn)動(dòng)速度公式F=mv2/R之間畫(huà)個(gè)等號(hào)，讓R等于地球的半徑，可以算出來(lái)這個(gè)速度的值為7.9千米/秒，這個(gè)值就被稱為第一宇宙速度。也就是說(shuō)，如果航天器沿著地平線的方向發(fā)射，它的初始速度超過(guò)這個(gè)值并能保持速度，它就可以飛離地球。當(dāng)一個(gè)物體在環(huán)繞地球運(yùn)行的時(shí)候，運(yùn)行軌道半徑R大于地球半徑，它所需要的速度v反而會(huì)更小。

所有的人造地球衛(wèi)星、空間站，甚至是天體之間的繞行運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上都是這個(gè)道理。在太空授課的畫(huà)面中，我們看到天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部是失重的狀態(tài)，但其實(shí)它在環(huán)繞地球的運(yùn)行過(guò)程中，也受到地球重力的吸引，為什么空間站之中還是失重狀態(tài)呢？這就是因?yàn)榈厍虻囊θ孔鳛樘鞂m二號(hào)圓周運(yùn)動(dòng)的向心力了！換句話說(shuō)，天宮二號(hào)其實(shí)依然受到了地球的吸引，不過(guò)這個(gè)引力產(chǎn)生的加速度不在天宮二號(hào)的運(yùn)行方向上，不會(huì)讓它加速也不會(huì)讓它減速，而是作用在與它運(yùn)行方向垂直、指向地球中心的方向上，天宮二號(hào)其實(shí)是在不斷地“墜”向地球，但是又不斷被它向前運(yùn)動(dòng)的速度“拽”了起來(lái)，當(dāng)“墜”的力和“拽”的力完全相等，天宮二號(hào)最終就沿著穩(wěn)定的繞地軌道勻速飛行了。這種情況就像我們處在一個(gè)正在自由墜落的電梯里，盡管仍然會(huì)受到地球引力的作用，但也是可以體驗(yàn)失重的。目前正在太空中運(yùn)行的中國(guó)空間站，距離地面高度約400千米，飛行速度約7.68千米/秒，略小于第一宇宙速度。

同樣的道理，我們的地球以及其他正在進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的天體，在形成之初就已經(jīng)獲得了非常大的初速度，如果沒(méi)有外力影響，它們本應(yīng)沿著直線無(wú)休止地運(yùn)行下去，不過(guò)中心大質(zhì)量天體的引力緊緊拉扯住了它們，為它們提供了向心力，就像太空實(shí)驗(yàn)中的小球被細(xì)繩拉扯，就只能老老實(shí)實(shí)地轉(zhuǎn)圈圈啦！

你看，碩大如天體的運(yùn)行規(guī)律，精密如航天器的發(fā)射運(yùn)行，它們最基礎(chǔ)的理論依據(jù)，都是我們可以理解的力學(xué)原理呢！

下一個(gè)太空實(shí)驗(yàn)中，王亞平為我們展示了失重環(huán)境下的陀螺儀，可別小瞧了這個(gè)東西，它可是大有用途呢！