太空科學課（二十五）

太空熊貓君

今天，我們回顧“天宮課堂”第四課里的動量守恒實驗。你可能對“動量守恒”這個詞感到陌生，因為它是高中才會學到的物理概念。不過先別急，這些原理都可以用非常有趣的實驗展示出來，仔細往下看，你一定能看明白。

假設(shè)在不遠處立著一塊木板，需要你用手拋擲圓球?qū)⑺驳埂Ｓ凶闱?、籃球、乒乓球和鉛球供你選擇，你會使用哪種球呢？相信你會選擇鉛球，因為你知道鉛球很重，即便你將它輕輕拋出，鉛球碰到木板的瞬間也會將它擊倒。但如果選項中沒有鉛球呢？那你可能會選擇相對重一些的籃球。不過這個時候，為了保證籃球可以將木板擊倒，你大概要鉚足了勁將籃球快速拋出，這樣才能增大擊倒木板的勝算?，F(xiàn)在請你思考一下，成功擊倒木板和哪些因素有關(guān)呢？首先是球體的重量，或者更準確地說，是它的質(zhì)量。顯然，質(zhì)量更大的球體更容易擊倒木板。球體的質(zhì)量不夠大也沒有關(guān)系，我們可以增加它的速度。你有沒有發(fā)現(xiàn)，想要把木板擊倒，要么球體的質(zhì)量大，要么球體飛行的速度快。如果兩個條件都可以滿足，你自然也會對這場游戲信心滿滿。

如果用數(shù)學的方式來表述，圓球的質(zhì)量乘以速度得到的數(shù)值大于木板的承受能力，木板就會被擊倒。那么，我們可以采用一個新的物理量來描述你的圓球是否能擊倒木板——動量這個概念誕生了，它就是運動物體質(zhì)量與速度的乘積。

隨著物理學家對動量研究的深入，他們還發(fā)現(xiàn)一個神奇的現(xiàn)象：在兩個物體或者多個物體發(fā)生撞擊的過程中，如果沒有其他外部力量的參與，碰撞前后這些物體所具有的總動量是保持不變的！這就是動量守恒定律。

還沒有完全理解？沒關(guān)系，本次航天員老師們就在天宮中為我們演示了動量守恒的原理。相比于地面實驗，空間站內(nèi)的微重力環(huán)境大大方便了動量守恒實驗的演示。

我們一起來看一下吧！朱楊柱老師拿出了一個直徑49.5 毫米、質(zhì)量500 克的實心鋼球，讓它懸浮在空中靜止。我給它起名叫鋼球1 號。桂海潮老師也拿出了一個同樣大小和質(zhì)量的實心鋼球，我叫它鋼球2 號。桂海潮老師讓鋼球2 號勻速飛出去碰撞鋼球1 號，只見鋼球2 號緩慢飛出后，與鋼球1 號輕輕碰撞，撞擊之后神奇的事情發(fā)生了：剛才還在運動的鋼球2 號瞬間近乎靜止，而剛才懸浮不動的鋼球1 號被撞擊后則運動了起來。如果你仔細觀察還會發(fā)現(xiàn)，鋼球1 號的運動方向和運動速度與碰撞之前的鋼球2 號是相同的，相當于鋼球2 號把速度和方向完全傳遞給鋼球1號，這就是動量守恒定律的典型情況。

我們把鋼球1 號和鋼球2 號的質(zhì)量分別記作m₁和m₂，開始運動的鋼球2號的速度記作v₂，那么撞擊發(fā)生之前，兩個球的總動量就是p=m₁×0+m₂×v₂=m₂v₂；碰撞發(fā)生之后，把開始運動的鋼球1 號的速度記作v₁，此時兩個球的總動量是p=m₁×v₁+m₂×0=m₁v₁。兩個球的質(zhì)量相同，m₁=m₂，通過測量我們發(fā)現(xiàn)v₁=v₂，所以碰撞前后兩個鋼球的總動量是相等的！

朱楊柱老師和桂海潮老師還給我們演示了另一種情況。桂海潮老師又拿出了一個100克的小鋼球，讓它勻速撞擊原來500 克的大鋼球。撞擊發(fā)生后，我們可以看到大球被撞出去，緩慢直行，而小球則被反彈回來，速度還變慢了一些。反過來，如果你用大球去撞擊小球，則兩個球都會繼續(xù)向前運動，而小球的運動速度會大于大球。如果你可以測量出撞擊前后兩個球的速度，再用上面的方法去計算動量，會發(fā)現(xiàn)它們碰撞前后的總動量仍是不變的！

其實，驗證動量守恒的實驗在地面也可以完成，不過由于受重力和摩擦力的影響，實驗操作沒有在太空中這樣簡便。

如果想直觀感受動量守恒的神奇現(xiàn)象，那你一定要玩一下牛頓擺。抬起一側(cè)的1個鋼珠，讓它自由落下，它就會把另一側(cè)的1個鋼珠撞起來。抬起2 個鋼珠后放下，則會撞起另一側(cè)的2 個鋼珠。依此類推，這其實也是動量守恒定律的體現(xiàn)。

牛頓擺雖然以鼎鼎大名的牛頓來命名，但它并不是牛頓發(fā)明的，甚至和牛頓本人沒有什么直接關(guān)系。它最早由17 世紀的法國物理學家艾德梅· 馬里奧特（Edme Mariotte）設(shè)計，用來證明牛頓第一定律和物體之間撞擊的特性。不過直到20世紀，牛頓擺才作為商品出現(xiàn)在市面上，被人們當作擺件或教具。

動量守恒定律在我們的生活中有很多應用，例如在橋梁的設(shè)計中，為了減小風和地震等外部因素對橋梁的影響，設(shè)計師會優(yōu)化橋梁的結(jié)構(gòu)和材料，提高橋的穩(wěn)定性；火箭升空時會向下噴射大量氣體，由于整個系統(tǒng)的動量是守恒的，所以火箭自身也獲得了向上的推動力。

另外值得一提的是汽車的安全氣囊。我們知道，當汽車發(fā)生劇烈撞擊之后，安全氣囊就會彈出，保護乘客的安全。這其實也利用了動量守恒的原理。當撞擊發(fā)生時，乘客的動量迅速減到0，乘客就會承受非常大的沖擊力。安全氣囊彈出后，它可以降低乘客動量下降的速度，進而減小乘客受到的沖擊力，保護乘客的安全。

動量守恒實驗操作看起來很簡單，原理也很清晰，但其實里面蘊含的科學道理是復雜的，而且桂海潮老師也提醒我們：當年提出動量守恒定律的物理學家們可沒有我們今天這樣理想的實驗條件，他們依靠縝密的邏輯和簡單的實驗設(shè)備，就推動了物理學不斷向前發(fā)展，讓我們今天能夠在空間站里為大家演示這樣一個經(jīng)典的物理定律。確實，沒有動量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，就無法制造一飛沖天的火箭，更不會有我們今天的中國空間站啦！