趙二剛 蘭海越

2021 年12 月9 日，“天宮課堂”開課。“神舟”十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國“天宮”空間站為全國青少年學(xué)生上了一堂有“高度”的科普課。在60 分鐘的“天宮課堂”中，航天員們?yōu)榇蠹艺故玖嗽谲壒ぷ魃顖鼍?、太空?xì)胞學(xué)研究、太空轉(zhuǎn)身、浮力消失、水膜張力、泡騰片等眾多有趣的小實驗。

在這些實驗中，太空轉(zhuǎn)身尤為神奇和令人費解。航天員葉光富在完全不接觸艙壁的條件下，嘗試各種方法轉(zhuǎn)身。首先，他想像在地面上那樣左右扭腰直接轉(zhuǎn)身，但當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時，下半身卻并未跟隨轉(zhuǎn)動，而是向右轉(zhuǎn)去，身體擰在一起，轉(zhuǎn)身失敗。隨后，他又分別嘗試了游泳動作轉(zhuǎn)身和吹氣轉(zhuǎn)身等，結(jié)果均不理想。接下來，在王亞平的建議下，葉光富抬起一側(cè)手臂連續(xù)快速劃圈，這時神奇的一幕出現(xiàn)了——他的身體開始轉(zhuǎn)動，實驗終于成功了。太空轉(zhuǎn)身完成后，葉光富還演示了伸縮手臂與身體自轉(zhuǎn)快慢關(guān)系的小實驗。自轉(zhuǎn)時他伸開手臂，轉(zhuǎn)速變慢；收縮手臂，轉(zhuǎn)速又會變快。

在地面上一個平平常常的轉(zhuǎn)身動作，為何在太空微重力環(huán)境下卻如此大費周章呢？其實這些現(xiàn)象都與物理概念——角動量及角動量守恒有著密切的關(guān)系。角動量指一個物體的轉(zhuǎn)動慣量和角速度之間的乘積，通俗地講，角動量描述了一個物體的轉(zhuǎn)動情況。同一個物體，轉(zhuǎn)速越快，角動量越大；而當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時，轉(zhuǎn)動慣量越大，角動量越大。角動量守恒指一個物體在不受外力或外部力矩合力為0 時，它的角動量不變，不會無故轉(zhuǎn)動起來或突然停止轉(zhuǎn)動。

在太空微重力環(huán)境下，人體懸浮在空間站內(nèi)，幾乎不受外力的影響，因此可以認(rèn)為整個身體的角動量守恒。當(dāng)葉光富上半身左轉(zhuǎn)時，因角動量守恒，其下半身會自動右轉(zhuǎn)，以抵消上半身的左轉(zhuǎn)，從而保持整個身體角動量為零。這就是葉光富在最初采用類似地面的扭腰方式未能完成轉(zhuǎn)身的原因。

葉光富左右扭腰并不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)身，當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時，下半身會向右轉(zhuǎn)。

其實，這個現(xiàn)象我們在地面上也能進行模仿。找一把平穩(wěn)結(jié)實、轉(zhuǎn)動靈活的轉(zhuǎn)椅，坐在上面雙腳離地，扭動身體轉(zhuǎn)向，你會發(fā)現(xiàn)很難完成。當(dāng)手臂與上半身向左轉(zhuǎn)動時，椅子會相應(yīng)向右轉(zhuǎn)動；恢復(fù)動作后，椅子會基本回到原始方位。通常多次連續(xù)嘗試后，身體會小幅轉(zhuǎn)動，但其原因并非不遵守角動量守恒，而是因為轉(zhuǎn)軸處有摩擦，使椅子一點點偏移而轉(zhuǎn)動。

至于伸縮手臂控制自轉(zhuǎn)速度的實驗，更是角動量守恒的經(jīng)典案例。物體勻速轉(zhuǎn)動時，其角動量恒定，轉(zhuǎn)動慣量越大，角速度越??；反之，角速度越大。當(dāng)葉光富手臂伸展后，質(zhì)量遠(yuǎn)離身體質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量變大，角速度變小，自轉(zhuǎn)變慢；當(dāng)他手臂收縮靠近身體后，質(zhì)量靠近身體質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量變小，角速度相應(yīng)變大，自轉(zhuǎn)加快。北京冬奧會即將開幕，大家可以在欣賞花樣滑冰時，觀察到這一現(xiàn)象——在光滑的冰面上，花樣滑冰運動員做自旋動作時，伸展四肢時自旋變慢，收縮身體時自旋變快。一些優(yōu)秀的運動員，能通過伸縮肢體自如控制自轉(zhuǎn)速度，給人帶來藝術(shù)的美感。

花樣滑冰運動員通過四肢的伸縮，即可控制自轉(zhuǎn)速度。

最后回到用手臂快速劃圈實現(xiàn)轉(zhuǎn)身的實驗。媒體報道時都給出了一個簡單的原因——角動量守恒，但大都沒有更詳細(xì)的說明。其實仔細(xì)分析會發(fā)現(xiàn)，這個轉(zhuǎn)身的過程相當(dāng)復(fù)雜。實驗中，葉光富快速揮動手臂順時針劃圈后，身體其余部分會向相反方向轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)為上半身俯向下轉(zhuǎn)動；隨后他逆時針揮動手臂，上半身又會后仰向上轉(zhuǎn)動。該過程與扭腰動作類似，都是全身角動量守恒的體現(xiàn)。但為何此時身體會隨之左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，卻并不能非常直觀地用角動量守恒原理進行解釋。因為手臂揮動的平面與身體左右轉(zhuǎn)動的平面是近似互相垂直的關(guān)系，所以有人據(jù)此提出這一現(xiàn)象與陀螺的進動有關(guān)?？焖贀]動劃圈的手臂，可看作一個陀螺，應(yīng)遵循陀螺的運動原理。在地面上，受重力影響，陀螺會產(chǎn)生明顯的進動效應(yīng)；而在太空微重力環(huán)境下，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？

對于葉光富用手臂快速劃圈實現(xiàn)轉(zhuǎn)身的實驗，你覺得如何解釋更好，歡迎共同探討。

B 站主播“力學(xué)Nerd 王小胖”分析手臂快速劃圈轉(zhuǎn)身的原理示意圖

陀螺在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，飛機的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、“天宮”空間站的姿態(tài)控制系統(tǒng)都有它的身影。