昨日上午,神州十號航天員王亞平作為我國第一位“太空教師”成功地完成了時長近一小時的太空授課。王亞平老師通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜實驗和太空水球制作等五個物理實驗,生動而形象地展示了失重環(huán)境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象,并通過視頻通話與地面課堂師生進行互動交流。
這些美妙的實驗反映了什么樣的物理原理?天地物理特性的差別給航天飛行帶來什么影響,在航天活動中有什么樣的應用?清華大學航天學院副教授王兆魁對這些問題進行了解讀。
實驗過程:王亞平取出一個紅黃相間的陀螺懸放在空中。用手輕推陀螺頂部,陀螺翻滾著飛向遠處。緊接著,她又取出一個一模一樣的陀螺,讓它旋轉起來,懸浮在半空中,再用手輕輕一推,旋轉的陀螺不再翻滾,而是保持著固定的軸向向前飛去。
專家解讀:轉動的陀螺具有定軸性,定軸性遵守角動量守恒原理——在沒有外力矩作用的情況下,物體的角動量會保持恒定。航天員瞬時施加的干擾力不能產生持續(xù)的力矩,由于角動量守恒,旋轉陀螺的旋轉軸就不會發(fā)生很大改變。而這一點在地面上之所以很難實現(xiàn),并不是因為角動量守恒定理不成立,而是因為陀螺與地面摩擦產生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動量,使其旋轉速度逐漸降低,不能很好地保持旋轉方向。
利用角動量守恒定律,我們可以實現(xiàn)衛(wèi)星的定向控制;谕勇葜赶蚍(wěn)定性特點制成的陀螺儀,還被廣泛用于不同領域各種平臺的穩(wěn)定控制。雪鐵龍C6轎車上就安裝了測量車身縱向和橫向擺動的陀螺傳感器,可以實現(xiàn)車身穩(wěn)定度的控制。
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