太空科學(xué)課（八）
——在太空中轉(zhuǎn)身，原來是個(gè)大難題

文/太空熊貓君

在沒有重力和摩擦力的太空，行動(dòng)起來特別方便：你可以隨心所欲地飛到任何地方，也可以毫不費(fèi)力地舉起任何物體。但是你知道嗎？太空中也有我們想象不到的“麻煩”。

在中國空間站首次太空授課時(shí)，一位同學(xué)通過天地連線，向航天員提了一個(gè)問題：“航天員在太空中，能跟在地面上一樣正常行走嗎？”

為了回答這個(gè)問題，王亞平請(qǐng)葉光富表演一段“太空步”，結(jié)果雖然葉光富的雙腿快速邁動(dòng)起來，但是他的身體不但沒有前進(jìn)，反而向側(cè)面傾倒了。原來，我們之所以能夠在地面上走路，其實(shí)是地面的摩擦力在“推”動(dòng)我們前進(jìn)。在走路的過程中，我們的雙腿交替向前邁，接觸地面的那只腳會(huì)給地面一個(gè)水平向后的摩擦力。根據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，給物體施加一個(gè)力，就會(huì)受到一個(gè)方向相反的反作用力。正是地面給我們的反作用力，讓我們可以向前行進(jìn)。而在太空中，沒有重力的作用，人體是懸浮在空中的，向后蹬出的雙腳無法給任何物體施加作用力，自然受不到反作用力，也就無法前進(jìn)了。

所以，太空中的航天員如果想要移動(dòng)位置，就必須借助空間站內(nèi)壁上的工具，通過拉動(dòng)或者推動(dòng)工具來獲得自己行進(jìn)的動(dòng)力。

接下來的天宮課堂又向我們展示了太空轉(zhuǎn)身的趣事。隨著王亞平的一聲口令“向后轉(zhuǎn)”，所有地面上聽課的同學(xué)都快速地完成了一個(gè)站立轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，然而在太空中轉(zhuǎn)身就沒有這么容易了。葉光富再次擔(dān)任太空助教，當(dāng)他懸浮在空中嘗試原地轉(zhuǎn)身的時(shí)候，無論如何轉(zhuǎn)動(dòng)身體，都無法完成轉(zhuǎn)身的動(dòng)作。當(dāng)他上半身向左轉(zhuǎn)的時(shí)候，下半身就會(huì)向右轉(zhuǎn)，反之亦然。那么，在太空中要如何完成原地轉(zhuǎn)身這個(gè)動(dòng)作呢？王亞平根據(jù)同學(xué)們的提議，選出了兩個(gè)辦法——使用游泳的姿勢，或者通過吹氣的方式。這樣能不能讓自己原地轉(zhuǎn)身呢？結(jié)果都是徒勞。

難道在太空就不能轉(zhuǎn)身了嗎？王亞平提出了自己的想法：伸出右臂，快速地畫圈。這個(gè)方法能夠奏效嗎？用實(shí)踐說話——助教葉光富舉起右臂，向后繞著肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)起了圈，與此同時(shí)，他的身體也旋轉(zhuǎn)了起來；葉光富的右臂反過來從后向前旋轉(zhuǎn)，身體就會(huì)朝反方向旋轉(zhuǎn)。這個(gè)方法奏效了！

為什么旋轉(zhuǎn)手臂可以讓人轉(zhuǎn)身呢？這背后的科學(xué)原理大家應(yīng)該并不陌生，因?yàn)槲以谥暗奈恼轮兄v過——角動(dòng)量守恒原理。旋轉(zhuǎn)起來的物體會(huì)獲得一種角動(dòng)量，沒有外力影響，它的角動(dòng)量就不會(huì)發(fā)生變化。我們生活在地面上，受到重力和摩擦力的影響，平時(shí)很難直觀地注意到角動(dòng)量守恒的現(xiàn)象。而在太空中，角動(dòng)量守恒的作用就會(huì)非常明顯。剛才我們提到過，當(dāng)葉光富嘗試直接旋轉(zhuǎn)身體的時(shí)候，他是無法成功轉(zhuǎn)身的。此時(shí)他的角動(dòng)量為0，如果沒有外力推動(dòng)他，無論如何扭動(dòng)身體，他的角動(dòng)量仍然是0——即便上半身向左轉(zhuǎn)了，產(chǎn)生了一個(gè)角動(dòng)量，他的下半身會(huì)自然地向反方向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)互相抵消了，整個(gè)身體的角動(dòng)量為0。

而旋轉(zhuǎn)手臂的效果就不同了。當(dāng)我們將右臂伸直旋轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，身體其實(shí)是會(huì)向與手臂相反的方向旋轉(zhuǎn)的，但是由于手臂在我們身體上所處的位置比較偏（位于上半身的一側(cè)，離質(zhì)心較遠(yuǎn)），不足以讓整個(gè)身體發(fā)生前后明顯的翻轉(zhuǎn)，所以會(huì)讓身體產(chǎn)生轉(zhuǎn)身的動(dòng)作。

為了更好地理解角動(dòng)量守恒原理，還有一個(gè)更直觀的實(shí)驗(yàn)，葉光富也向我們進(jìn)行了展示。當(dāng)他張開雙臂在太空中旋轉(zhuǎn)起來之后，收回自己的雙臂，身體的轉(zhuǎn)速明顯加快了。這是因?yàn)椋莿?dòng)量的大小取決于物體的動(dòng)量與位置矢量，簡單理解就是物體的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑共同決定了角動(dòng)量的大小。當(dāng)葉光富旋轉(zhuǎn)起來后，自身就具有了一定的角動(dòng)量，收回手臂之后，旋轉(zhuǎn)的半徑縮小，但是角動(dòng)量不變，所以旋轉(zhuǎn)的速度就變快了！

我們?cè)诘孛嫔弦部梢赃M(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你可以在公園健身區(qū)的轉(zhuǎn)盤或者冰面上來嘗試。當(dāng)你張開雙臂旋轉(zhuǎn)起來后，快速收回手臂，可以明顯感受到你的轉(zhuǎn)速加快了，這就是角動(dòng)量守恒原理。不過做實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意安全，一定要在家長的陪同下來操作喲！