太空科学课（二十五）——钢珠碰碰碰

　　文/ 太空熊猫君

　　今天，我们回顾“天宫课堂”第四课里的动量守恒实验。你可能对“动量守恒”这个词感到陌生，因为它是高中才会学到的物理概念。不过先别急，这些原理都可以用非常有趣的实验展示出来，仔细往下看，你一定能看明白。

　　假设在不远处立着一块木板，需要你用手抛掷圆球将它撞倒。有足球、篮球、乒乓球和铅球供你选择，你会使用哪种球呢？相信你会选择铅球，因为你知道铅球很重，即便你将它轻轻抛出，铅球碰到木板的瞬间也会将它击倒。但如果选项中没有铅球呢？那你可能会选择相对重一些的篮球。不过这个时候，为了保证篮球可以将木板击倒，你大概要铆足了劲将篮球快速抛出，这样才能增大击倒木板的胜算。现在请你思考一下，成功击倒木板和哪些因素有关呢？首先是球体的重量，或者更准确地说，是它的质量。显然，质量更大的球体更容易击倒木板。球体的质量不够大也没有关系，我们可以增加它的速度。你有没有发现，想要把木板击倒，要么球体的质量大，要么球体飞行的速度快。

　　如果两个条件都可以满足，你自然也会对这场游戏信心满满。

　　如果用数学的方式来表述，圆球的质量乘以速度得到的数值大于木板的承受能力，木板就会被击倒。那么，我们可以采用一个新的物理量来描述你的圆球是否能击倒木板——动量这个概念诞生了，它就是运动物体质量与速度的乘积。

　　随着物理学家对动量研究的深入，他们还发现一个神奇的现象：在两个物体或者多个物体发生撞击的过程中，如果没有其他外部力量的参与，碰撞前后这些物体所具有的总动量是保持不变的！这就是动量守恒定律。

　　还没有完全理解？没关系，本次航天员老师们就在天宫中为我们演示了动量守恒的原理。

　　相比于地面实验，空间站内的微重力环境大大方便了动量守恒实验的演示。

　　我们一起来看一下吧！朱杨柱老师拿出了一个直径49.5 毫米、质量500 克的实心钢球，让它悬浮在空中静止。我给它起名叫钢球1 号。桂海潮老师也拿出了一个同样大小和质量的实心钢球，我叫它钢球2 号。桂海潮老师让钢球2 号匀速飞出去碰撞钢球1 号，只见钢球2 号缓慢飞出后，与钢球1 号轻轻碰撞，撞击之后神奇的事情发生了：刚才还在运动的钢球2 号瞬间近乎静止，而刚才悬浮不动的钢球1 号被撞击后则运动了起来。如果你仔细观察还会发现，钢球1 号的运动方向和运动速度与碰撞之前的钢球2 号是相同的，相当于钢球2 号把速度和方向完全传递给钢球1号，这就是动量守恒定律的典型情况。

　　我们把钢球1 号和钢球2 号的质量分别记作m1 和m2，开始运动的钢球2 号的速度记作v2，那么撞击发生之前，两个球的总动量就是p=m1×0+m2×v2=m2v2；碰撞发生之后，把开始运动的钢球1 号的速度记作v1，此时两个球的总动量是p’=m1×v1+m2×0=m1v1。两个球的质量相同，m1=m2，通过测量我们发现v1=v2，所以碰撞前后两个钢球的总动量是相等的！

　　朱杨柱老师和桂海潮老师还给我们演示了另一种情况。桂海潮老师又拿出了一个100 克的小钢球，让它匀速撞击原来500 克的大钢球。撞击发生后，我们可以看到大球被撞出去，缓慢直行，而小球则被反弹回来，速度还变慢了一些。反过来，如果你用大球去撞击小球，则两个球都会继续向前运动，而小球的运动速度会大于大球。如果你可以测量出撞击前后两个球的速度，再用上面的方法去计算动量，会发现它们碰撞前后的总动量仍是不变的！

　　其实，验证动量守恒的实验在地面也可以完成，不过由于受重力和摩擦力的影响，实验操作没有在太空中这样简便。

　　如果想直观感受动量守恒的神奇现象，那你一定要玩一下牛顿摆。抬起一侧的1 个钢珠，让它自由落下，它就会把另一侧的1 个钢珠撞起来。抬起2 个钢珠后放下，则会撞起另一侧的2 个钢珠。依此类推，这其实也是动量守恒定律的体现。

　　牛顿摆虽然以鼎鼎大名的牛顿来命名，但它并不是牛顿发明的，甚至和牛顿本人没有什么直接关系。它最早由17 世纪的法国物理学家艾德梅• 马里奥特（Edme Mariotte）设计，用来证明牛顿第一定律和物体之间撞击的特性。不过直到20 世纪，牛顿摆才作为商品出现在市面上，被人们当作摆件或教具。

　　动量守恒定律在我们的生活中有很多应用，例如在桥梁的设计中，为了减小风和地震等外部因素对桥梁的影响，设计师会优化桥梁的结构和材料，提高桥的稳定性；火箭升空时会向下喷射大量气体，由于整个系统的动量是守恒的，所以火箭自身也获得了向上的推动力。另外值得一提的是汽车的安全气囊。我们知道，当汽车发生剧烈撞击之后，安全气囊就会弹出，保护乘客的安全。这其实也利用了动量守恒的原理。当撞击发生时，乘客的动量迅速减到0，乘客就会承受非常大的冲击力。安全气囊弹出后，它可以降低乘客动量下降的速度，进而减小乘客受到的冲击力，保护乘客的安全。

　　动量守恒实验操作看起来很简单，原理也很清晰，但其实里面蕴含的科学道理是复杂的，而且桂海潮老师也提醒我们：当年提出动量守恒定律的物理学家们可没有我们今天这样理想的实验条件，他们依靠缜密的逻辑和简单的实验设备，就推动了物理学不断向前发展，让我们今天能够在空间站里为大家演示这样一个经典的物理定律。确实，没有动量守恒定律的发现，就无法制造一飞冲天的火箭，更不会有我们今天的中国空间站啦！

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