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10 月 12 日下午，中國空間站 " 天宮課堂 " 第三講在全國乃至全球青少年和科學愛好者的期待中開講。神舟十四號乘組的三位航天員分工協作，帶領大家了解了 " 問天 " 這個科學實驗新艙段的環境和功能，展示了他們在太空中執行科學實驗任務的過程，當然也少不了天地大不同的趣味科學實驗。

天宮課堂首次在問天實驗艙開講

我們來解讀一下本次授課的毛細效應實驗、水球變 " 懶 " 實驗、太空趣味飲水實驗和 " 會掉頭的扳手 " 實驗背后的原理。

毛細效應實驗

毛細效應的產生源于固體管壁表面分子與液體分子之間的相互作用。如果液體的表面張力不特別大，而固體表面對液體分子的吸引力又較強，那么液體分子就比較容易被固體表面吸附。宏觀表現出來就是當把液體滴在固體表面時會鋪展開來，形成一個扁的球冠。此時液體 - 氣體界面和液體 - 固體界面的夾角（接觸角）小于 90°，這種情況稱為 " 浸潤 "。

反之如果液體分子感受的表面張力比固體表面的吸附力量大很多，那么滴在固體上的液體就會在表面張力作用下趨向形成一個球缺，液體 - 氣體界面和液體 - 固體界面的夾角（接觸角）大于 90°，這種情況稱為 " 不浸潤 "。

a 浸潤示意圖

b 不浸潤示意圖

當把一根與液體浸潤的管子插入液面時，由于與管壁接觸的一圈液體分子受到了被管壁向上拉的力，管中的液體會出現上升，當向上的力量與液柱受到的重力匹敵時，液面就不再上升。

當管子粗細發生變化時，管壁對液面的壓力正比于半徑變化，而一定高度液柱受到的重力則正比于半徑平方變化，因此在重力效應明顯的地面上，越細的管子里液面上升得越快越高。

但在微重力環境的空間中，由于沒有重力的影響，不論粗細，毛細現象都能讓液體填滿整個管子。反之如果把不浸潤的管子放進液體里，液面會由于液體表面張力的作用而下降，在空間站這樣微重力的環境中，無論管子插多深，液體都很難進入管內。

毛細現象讓液體填滿了管子

毛細效應是生活中十分常見的現象，醫院里采指尖血用的那根細細的玻璃管就是利用毛細效應把血液吸進管中的。把紙巾的一角放入水中，稍后會發現整張紙巾都會變濕，土壤中的縫隙把深處的地下水吸到淺表處都是源于毛細效應，植物根系吸收的水分通過微管輸送到高處也和毛細效應有關。

太空趣味飲水實驗

太空趣味飲水的實驗與毛細管有一定關聯。在空間站微重力環境下，我們看到航天員輕松用嘴一吸，形成的負壓就讓水毫無阻礙地通過 2 米長的吸管進入嘴里。其實如果不著急的話，靠吸管的毛細效應就可以把水直接送到嘴邊。

航天員劉洋用 2 米長的吸管成功喝到了芒果汁

我們在地面上用長吸管喝水時就沒有這么輕松了。

如果僅靠肺吸氣，大多數人只能制造約 0.1 大氣壓的負壓，也就能讓水被吸到約 1 米的垂直高度。一般家用真空吸塵器能制造約 0.2 大氣壓的負壓，也只能把水吸起 2 米高。

筆者曾閉住喉嚨用腮幫子使勁 " 嘬 "，讓液面達到過約 4 米的高度，但實驗后腮幫子酸了好幾天，而且實驗過程中如果不閉住喉嚨，較大的負壓很容易讓肺部受傷，大家千萬不要輕易嘗試。動畫片里從樓上伸一根吸管偷喝樓下杯子里飲料的情節現實中是很難做到的。

水球變 " 懶 " 實驗

" 變‘懶’的水球 " 和 " 會掉頭的扳手 "，這兩個實驗的現象很簡單也很有趣，但原理卻十分復雜。

同樣受到空氣的沖擊，加入鋼球的水球振動放緩了

" 變‘懶’的水球 "涉及液體流動的動力學機制，固體的加入改變了邊界條件，抑制了原本水球在沖擊下產生的劇烈振動。古人挑水時在水桶中放一片樹葉，改變表面波形成的條件，從而使水不容易形成劇烈波浪而飛濺的經驗，其道理與水球變 " 懶 " 有異曲同工之妙。

會掉頭的扳手

" 會掉頭的扳手 "則涉及在幾個轉動慣量不同的軸上旋轉的穩定性問題。一個旋轉的剛體其轉動慣量最大和最小軸能保持較為穩定的轉動，而繞其轉動慣量居中的軸旋轉時穩定性較低。

在旋轉中不斷掉頭的扳手

這個現象可以通過讓一個網球拍旋轉著拋向空中，或是讓一個蝴蝶型螺母旋轉著落地來復現，不過過程非常短促，可能需要手機高速攝像的功能來幫助我們觀察現象。

此外，航天員在太空中收集擬南芥、水稻樣品的操作過程，也是本次太空授課的重頭。其實早在 9 月 9 日，由中國載人航天辦公室指導，中國科學院科學傳播局、教育部基礎教育司共同主辦的 " 天地共播一粒種 " ——青少年與航天員一起種植物科普活動已經在為本次天宮課堂做準備。地面上的同學也拿到了和空間站中一樣的植物種子，他們在地面上種植并觀察它們的成長，并和在空間站中生長的植物對比，讓 " 天宮課堂 " 有了更豐富的課前、課后內容，形成了更立體、更系統的 " 大課堂 "。

筆者很榮幸有機會與從事科學、技術、工程、教育等多個領域的專家一起參與了三次 " 天宮課堂 " 的策劃、研討、準備、審核等工作。如果把神舟十三號乘組在核心艙進行的第一講看作中國空間站 " 新教室揭幕 " 的話，第二講看作對空間科學實驗室的進一步認識，那么本次神舟十四號乘組的第三講，地面上的同學有了一定的參與。未來廣大青少年一定還有更多參與的機會，讓 " 天宮課堂 " 成為具有未來科學家潛質的青少年科學夢啟航的地方。