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漂亮水膜在太空攒成了“神奇水球”聂海胜悬空打坐被王亚平一指推开(组图)

2013年06月21日06:32 | 我来说两句(人参与) | 保存到博客
漂亮水膜在太空攒成了“神奇水球”聂海胜悬空打坐被王亚平一指推开
  航天员固定在人体支架上另一航天员将其向外拉到一定位置后松手根据牛顿第二定律,物体受到的力(F)=质量(m)*加速度(a),利用质量测量仪产生一个恒定的力,将支架拉回到初始位置从而测出物体加速度,据此计算出物体质量测量原理支架会在弹簧的作用下回到初始位置

将单摆小球拉到一个位置后放手第1组小球将呈悬浮状天空中没有重力,小球在不受力的情况下无法做单摆运动给单摆小球施加一个力第2组小球开始做圆周运动
漂亮水膜在太空攒成了“神奇水球”聂海胜悬空打坐被王亚平一指推开
漂亮水膜在太空攒成了“神奇水球”聂海胜悬空打坐被王亚平一指推开
  将单摆小球拉到一个位置后放手第1组小球将呈悬浮状天空中没有重力,小球在不受力的情况下无法做单摆运动给单摆小球施加一个力第2组小球开始做圆周运动

给放置的陀螺一个干扰力陀螺翻滚前进轴向发生改变给旋转的陀螺一个同样的干扰力旋转的陀螺没有翻滚而是晃动前进
  给放置的陀螺一个干扰力陀螺翻滚前进轴向发生改变给旋转的陀螺一个同样的干扰力旋转的陀螺没有翻滚而是晃动前进

漂亮水膜在太空攒成了“神奇水球”聂海胜悬空打坐被王亚平一指推开

  昨天上午10:04,中国首次太空授课活动成功举行。太空授课活动中,我国第一位“太空教师”王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个物理实验,展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象,并通过视频通话与地面课堂师生进行互动交流。

  这些美妙的实验反映了什么样的物理原理?天地物理特性的差别给航天飞行带来什么影响,在航天活动中有什么样的应用?清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读。

  1.太空称重牛顿第二定律

  王亚平拿出两个完全一样的弹簧。弹簧的底端分别固定了两个质量不同的物体。在太空中,两个弹簧却停留在了同一位置,无法显示出两个物体质量的差别。

  那在太空中航天员想要知道自己是胖了还是瘦了,该怎么办呢?王亚平接下来向大家展示了测质量的装置“质量测量仪”,并请聂海胜共同演示。首先让聂海胜固定在质量测量仪上,然后王亚平把连接运动机构的钢丝绳拉到指定位置,之后拉力会使他回到初始位置,这样就测出了他的质量:74千克。

  王亚平解释说,我们设计了一个“弹簧—凸轮”机构,能够产生一个恒定的力,就是刚才把聂海胜拉回到初始位置的力。我们还设计了一个光栅测速系统,能够测出刚才身体运动的加速度。然后根据牛顿第二定律,就可以算出身体的质量了。

  科学原理>>>

  王兆魁:这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理“物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比,跟物体的质量成反比。”

  在地球表面,由于受到地球引力的作用,物体的质量体现为重量。物体悬挂在弹簧秤上时,弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡,因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量。而在绕地球高速运动的飞船里,地球引力被飞船的离心力所平衡,飞船内部不再有地球引力的影响,也就没有了重量的概念,因此弹簧秤就没有读数。

  生活运用>>>

  这个原理在航天活动中有着广泛的应用。例如,航天器的燃料消耗一段时间后,总质量会发生变化,可能影响轨道控制的精确度。这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度,从而计算出航天器的质量。

  2.太空单摆太空失重

  王亚平展示了一个支架,细绳将小球连接在支架上,形成了一个我们地面上常见的单摆。并将小球拉起,但小球并没有像在地面上一样做往复摆动,再把小球提高一点,松手,它还是没有做往复摆动,因为在太空中小球处于失重状态,没有了回复力,所以不能像在地面上一样做往复摆动。

  接下来王亚平推了小球一下,小球竟然在做圆周运动!再换个方向演示,小球仍然在做圆周运动!这是因为在太空中,小球处于失重状态,即使我们给小球一个很小的初速度,它也能绕摆轴做圆周运动。

  科学原理>>>

  王兆魁:实验中小球悬浮或者做圆周运动,是太空中的失重现象导致的。在地面上,一旦松手,在地球重力的作用下,小球会向下运动,而由于小球被细绳连接在支架上,它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用,小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同,在太空中轻轻推小球一下,小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上,需要给小球足够大的初速度,才能使它克服地球重力的阻碍,实现圆周运动。

  生活运用>>>

  失重会妨碍航天员在舱内的操作,同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。针对这个问题,航天医学专家研究出很多医学防护措施,航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能。

  3.太空陀螺角动量守恒

  王亚平展示了一个陀螺,高速旋转的陀螺具有很好的定轴性,陀螺这一定轴特性在天上地上是完全一样的。她先是把静止的陀螺悬空放置,给它一个干扰力,这个静止的陀螺就会翻滚着向前运动,它的轴向发生了很大的改变。之后,把它抓回来让它旋转,这次它晃动着向前走。王亚平再次把它抓回来。又拿出另一个陀螺,让它们一个静止,一个转动,给它们同样的干扰力,结果静止的陀螺开始翻滚着向前移动,而旋转的陀螺虽然是晃动但是轴向基本没有改变。

  科学原理>>>

  王兆魁:转动的陀螺具有定轴性,定轴性遵守角动量守恒原理在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩,由于角动量守恒,旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上很难,是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量,使其旋转速度逐渐降低,不能很好地保持旋转方向。

  生活运用>>>

  利用角动量守恒定律,我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪,还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制。雪铁龙C6轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器,可以实现车身稳定度的控制。
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