太空熊貓君

今天，我們回顧“天宮課堂”第四課里的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)。你可能對“動(dòng)量守恒”這個(gè)詞感到陌生，因?yàn)樗歉咧胁艜?huì)學(xué)到的物理概念。不過先別急，這些原理都可以用非常有趣的實(shí)驗(yàn)展示出來，仔細(xì)往下看，你一定能看明白。

假設(shè)在不遠(yuǎn)處立著一塊木板，需要你用手拋擲圓球?qū)⑺驳埂Ｓ凶闱?、籃球、乒乓球和鉛球供你選擇，你會(huì)使用哪種球呢？相信你會(huì)選擇鉛球，因?yàn)槟阒楞U球很重，即便你將它輕輕拋出，鉛球碰到木板的瞬間也會(huì)將它擊倒。但如果選項(xiàng)中沒有鉛球呢？那你可能會(huì)選擇相對重一些的籃球。不過這個(gè)時(shí)候，為了保證籃球可以將木板擊倒，你大概要鉚足了勁將籃球快速拋出，這樣才能增大擊倒木板的勝算。現(xiàn)在請你思考一下，成功擊倒木板和哪些因素有關(guān)呢？首先是球體的重量，或者更準(zhǔn)確地說，是它的質(zhì)量。顯然，質(zhì)量更大的球體更容易擊倒木板。球體的質(zhì)量不夠大也沒有關(guān)系，我們可以增加它的速度。你有沒有發(fā)現(xiàn)，想要把木板擊倒，要么球體的質(zhì)量大，要么球體飛行的速度快。如果兩個(gè)條件都可以滿足，你自然也會(huì)對這場游戲信心滿滿。

如果用數(shù)學(xué)的方式來表述，圓球的質(zhì)量乘以速度得到的數(shù)值大于木板的承受能力，木板就會(huì)被擊倒。那么，我們可以采用一個(gè)新的物理量來描述你的圓球是否能擊倒木板——?jiǎng)恿窟@個(gè)概念誕生了，它就是運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量與速度的乘積。

隨著物理學(xué)家對動(dòng)量研究的深入，他們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)神奇的現(xiàn)象：在兩個(gè)物體或者多個(gè)物體發(fā)生撞擊的過程中，如果沒有其他外部力量的參與，碰撞前后這些物體所具有的總動(dòng)量是保持不變的！這就是動(dòng)量守恒定律。

還沒有完全理解？沒關(guān)系，本次航天員老師們就在天宮中為我們演示了動(dòng)量守恒的原理。相比于地面實(shí)驗(yàn)，空間站內(nèi)的微重力環(huán)境大大方便了動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)的演示。

我們一起來看一下吧！朱楊柱老師拿出了一個(gè)直徑49.5 毫米、質(zhì)量500 克的實(shí)心鋼球，讓它懸浮在空中靜止。我給它起名叫鋼球1 號。桂海潮老師也拿出了一個(gè)同樣大小和質(zhì)量的實(shí)心鋼球，我叫它鋼球2 號。桂海潮老師讓鋼球2 號勻速飛出去碰撞鋼球1 號，只見鋼球2 號緩慢飛出后，與鋼球1 號輕輕碰撞，撞擊之后神奇的事情發(fā)生了：剛才還在運(yùn)動(dòng)的鋼球2 號瞬間近乎靜止，而剛才懸浮不動(dòng)的鋼球1 號被撞擊后則運(yùn)動(dòng)了起來。如果你仔細(xì)觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)，鋼球1 號的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度與碰撞之前的鋼球2 號是相同的，相當(dāng)于鋼球2 號把速度和方向完全傳遞給鋼球1號，這就是動(dòng)量守恒定律的典型情況。

我們把鋼球1 號和鋼球2 號的質(zhì)量分別記作m₁和m₂，開始運(yùn)動(dòng)的鋼球2號的速度記作v₂，那么撞擊發(fā)生之前，兩個(gè)球的總動(dòng)量就是p=m₁×0+m₂×v₂=m₂v₂；碰撞發(fā)生之后，把開始運(yùn)動(dòng)的鋼球1 號的速度記作v₁，此時(shí)兩個(gè)球的總動(dòng)量是p=m₁×v₁+m₂×0=m₁v₁。兩個(gè)球的質(zhì)量相同，m₁=m₂，通過測量我們發(fā)現(xiàn)v₁=v₂，所以碰撞前后兩個(gè)鋼球的總動(dòng)量是相等的！

朱楊柱老師和桂海潮老師還給我們演示了另一種情況。桂海潮老師又拿出了一個(gè)100克的小鋼球，讓它勻速撞擊原來500 克的大鋼球。撞擊發(fā)生后，我們可以看到大球被撞出去，緩慢直行，而小球則被反彈回來，速度還變慢了一些。反過來，如果你用大球去撞擊小球，則兩個(gè)球都會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，而小球的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)大于大球。如果你可以測量出撞擊前后兩個(gè)球的速度，再用上面的方法去計(jì)算動(dòng)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們碰撞前后的總動(dòng)量仍是不變的！

其實(shí)，驗(yàn)證動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)在地面也可以完成，不過由于受重力和摩擦力的影響，實(shí)驗(yàn)操作沒有在太空中這樣簡便。

如果想直觀感受動(dòng)量守恒的神奇現(xiàn)象，那你一定要玩一下牛頓擺。抬起一側(cè)的1個(gè)鋼珠，讓它自由落下，它就會(huì)把另一側(cè)的1個(gè)鋼珠撞起來。抬起2 個(gè)鋼珠后放下，則會(huì)撞起另一側(cè)的2 個(gè)鋼珠。依此類推，這其實(shí)也是動(dòng)量守恒定律的體現(xiàn)。

牛頓擺雖然以鼎鼎大名的牛頓來命名，但它并不是牛頓發(fā)明的，甚至和牛頓本人沒有什么直接關(guān)系。它最早由17 世紀(jì)的法國物理學(xué)家艾德梅· 馬里奧特（Edme Mariotte）設(shè)計(jì)，用來證明牛頓第一定律和物體之間撞擊的特性。不過直到20世紀(jì)，牛頓擺才作為商品出現(xiàn)在市面上，被人們當(dāng)作擺件或教具。

動(dòng)量守恒定律在我們的生活中有很多應(yīng)用，例如在橋梁的設(shè)計(jì)中，為了減小風(fēng)和地震等外部因素對橋梁的影響，設(shè)計(jì)師會(huì)優(yōu)化橋梁的結(jié)構(gòu)和材料，提高橋的穩(wěn)定性；火箭升空時(shí)會(huì)向下噴射大量氣體，由于整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量是守恒的，所以火箭自身也獲得了向上的推動(dòng)力。

另外值得一提的是汽車的安全氣囊。我們知道，當(dāng)汽車發(fā)生劇烈撞擊之后，安全氣囊就會(huì)彈出，保護(hù)乘客的安全。這其實(shí)也利用了動(dòng)量守恒的原理。當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)，乘客的動(dòng)量迅速減到0，乘客就會(huì)承受非常大的沖擊力。安全氣囊彈出后，它可以降低乘客動(dòng)量下降的速度，進(jìn)而減小乘客受到的沖擊力，保護(hù)乘客的安全。

動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)操作看起來很簡單，原理也很清晰，但其實(shí)里面蘊(yùn)含的科學(xué)道理是復(fù)雜的，而且桂海潮老師也提醒我們：當(dāng)年提出動(dòng)量守恒定律的物理學(xué)家們可沒有我們今天這樣理想的實(shí)驗(yàn)條件，他們依靠縝密的邏輯和簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，就推動(dòng)了物理學(xué)不斷向前發(fā)展，讓我們今天能夠在空間站里為大家演示這樣一個(gè)經(jīng)典的物理定律。確實(shí)，沒有動(dòng)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，就無法制造一飛沖天的火箭，更不會(huì)有我們今天的中國空間站啦！