用两米吸管在太空喝水扳手自动翻跟头，一文速懂天宫课堂实验课

　　作者：乔辉
　　10月12日下午15时45分，中国航天员在中国空间站进行了天宫课堂第三课授课，这也是神舟十四号飞行乘组航天员陈冬、刘洋和蔡旭哲在空间站度过4个月多的太空生活后，首次太空开课。
　　直播开始时，航天员对问天实验舱进行了介绍，并讲述了里面各种类型实验柜的原理。介绍完问天实验舱的基本情况后，接下来就进入了有趣的实验环节，这些实验包括：毛细效应实验、水球变懒实验、太空趣味饮水和会掉头的扳手实验。这些实验背后是什么物理原理呢？下面我们来逐一分析一下。
　　第一个实验：毛细效应实验
　　在地面上，当我们把一根细的玻璃管插入水中，玻璃管里面的液面就会上升。你有没有发现这样一个规律：玻璃管越细，液面上升得越高，这也是人们称呼这种现象叫毛细现象的原因。从本质上看，这其实是毛细管内水的表面张力和水的自身重力平衡的结果。毛细现象有很多应用，比如钢笔就是利用毛细原理为笔尖提供油墨的。
　　在太空中，由于感受不到重力的作用，只有表面张力的作用，表面张力就可以一直拉着水在玻璃管内运动，无论管子粗细，水都能慢慢充满整个管子，只是细的管子充满的速度较快而已。在空间站的这次实验中，陈冬老师把三根粗细不同的管子插入水中，三根管子中的液体都能上升到管子的顶部，只是细管子上升得最快。
　　第二个实验：水球变懒实验
　　在空间站上，如果把一团水挤在空中，还是由于表面张力的作用，在空中就可以形成一个大水球，为了固定水球，可以把它放在一个带圆圈的支架上。但这种大水球是不稳定的，刘洋老师用大注射器吹一下，水球就晃动不停。但当把一颗大钢球放入水球中，水球就很快停止下来了，这是什么原理呢？其实，这个原理在生活中也很常见，当我们端一碗水的时候，水会晃动的挺厉害，但当我们把一张纸放入水中，水的液面就不容易晃动了。无论是空间站上的水球，还是地面上碗中的水，都是由于加入了其他固体产生了额外的阻尼作用，能量容易耗散，就能更快稳定下来。
　　第三个实验：太空趣味饮水
　　你知道在地面上如果用细长的管子喝水，管子最多能多高吗？有外国朋友曾经做过这个实验，使出吃奶的劲，结果只能勉强吸到4米的高度。
　　理论上，即便用机器吸，水在管子中上升的高度也只能达到10米，这是由于大气压只能支撑10米高的水柱，这个道理初中物理上就讲过啦，这里就不多说了。在太空中，刘洋老师用2米长的吸管，非常轻松就能喝到水，也是由于在太空感受不到重力，水不会产生压强的原因。
　　第四个实验：会掉头的扳手
　　这个实验非常神奇，当陈冬老师让一个扳手旋转起来后，扳手会不停地翻跟头。这是苏联航天员贾尼别科夫在空间站中偶然发现的，所以也叫贾尼别科夫效应，研究发现这个现象与扳手的旋转方式和它质量的分布有关系。这个现象在地面不太容易看到，但是在太空中这就是小菜一碟。
　　实话讲，这种现象其实不大容易科普，这是因为要用到大学物理中的转动惯量和角动量的概念。简单来讲，扳手沿着不同的轴旋转的时候，转动惯量是不同的。科学实验表明，只有扳手沿着最大转动惯量和最小转动惯量的轴旋转的时候，才是稳定的状态，沿着其他轴运动都是不稳定的，会发生不稳定的翻跟头现象。但值得注意的是，这个系统的角动量还是守恒的，无论扳手如何翻转，其角动量是不变的。
　　大家有没有注意到，这次太空实验的内容和前两次太空实验一样，都是以物理实验为主，这是什么原因呢？这是由于空间站上的环境与地面的环境最大的不同就是太空中有微重力环境，由于微重力是与物理密切相关的现象，所以太空中展示的实验以物理为主就不足为奇了。
　　（来源：大象科创局）
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