太空科学课（二十六）——又见陀螺

　　文/ 太空熊猫君　图/ 无聊的冰块

　　如果你一直都在关注天宫课堂，你一定对角动量这个物理概念很熟悉。在之前的太空科学课中，航天员们向我们展示了陀螺的定轴性、太空转身、会调头的扳手等实验，讲解了角动量守恒原理。而在天宫课堂第四课中，航天员们又为我们带来了一场全新的角动量守恒实验。

　　只见桂海潮拿出一个两侧带有把手的圆环形陀螺，让陀螺与自己都飘浮在空间站内。实验开始，桂海潮双手握住手柄、左右旋转陀螺，这时候他依然安静地飘浮着，没有出现什么特殊的现象。随后，助教朱杨柱让陀螺快速旋转起来，桂海潮再用同样的方式旋转陀螺，右手轻压、左手微抬，他的身体居然向左旋转起来！而当桂海潮抬手让陀螺倒向另一侧之后，他的身体又反过来向右旋转了。

　　在之前的天宫课堂中，叶光富就给我们演示了类似的实验——太空转身。这两个实验其实是非常类似的，陀螺没有旋转的时候，与其他物体没有区别，航天员对它施加作用力之后只会受到轻微的反作用力，不足以让航天员的姿态发生变化。

　　而当陀螺高速旋转起来之后，情况就不一样了，陀螺好像变得特别“固执”，要改变它的状态就不容易了。想了解这里面都发生了什么，我们需要重点了解一下角动量这个概念。在上一期的文章中，我们了解了什么是动量。与之相类似，旋转的物体也具有一种旋转的动量，称之为角动量，它体现了一个物体旋转运动能够产生的作用效果的大小。例如随手拿起你身边的一本书，尝试让它在你的指尖上旋转起来，这本书就具有了角动量。如果你多拿几本书试试，还会发现一个简单的现象：书越大、越重，就越不容易旋转起来；旋转起来之后，在转速差不多的情况下，越大、越重的书也更不容易停下来。这说明了角动量的大小不仅和物体的质量及旋转速度有关，还和物体本身的大小有关。当然，我用“大小”这个词主要是为了方便你对角动量的理解，实际上角动量的定义和计算方法会复杂许多。

　　与动量守恒原理类似，角动量也遵守着守恒原则。简单来说，当一个系统旋转起来之后，如果没有外力直接影响它的旋转方向和速度，它就会保持原来的角动量不变。天宫课堂之前做过的陀螺定轴性实验，本质上也是这个原理，旋转起来的陀螺飘浮在空中，航天员轻轻推动一下，虽然会让陀螺移动，却不会改变陀螺旋转的速度与方向。

　　回到这一节的天宫课堂中来，不知道你有没有发现，桂海潮拿着的是一个黄铜材质的陀螺，看起来非常沉重。虽然空间站内很难感受到重力，但是金属材质的陀螺旋转起来之后也会产生很大的角动量。我们假设陀螺此时的角动量是L，而没有旋转的桂海潮的角动量是0。当桂海潮尝试改变陀螺的方向的时候，他就与陀螺构成了一个整体，他用双手转动陀螺，陀螺的角动量就发生改变了，也就是在这个L 之上又加上了一个L’，这个时候角动量守恒定律就要跳出来抗议了：“我可是要保持不变的，你居然想让我发生变化，那我就要让你变回去！”

　　于是，为了保持整体的角动量守恒，陀螺就会给航天员一个反方向的L’，因为这样整体的角动量就是L+L’-L’=L，又恢复守恒了。只是我们的航天员，反而多了一个角动量-L’，于是他转起来了！

　　严格来说，正在转动陀螺的桂海潮，他所产生的旋转方向应该是与陀螺发生变化的方向相反的——陀螺顺时针转动，桂海潮就会逆时针向身体的一侧栽倒，只是这种运动需要的角动量比较大，而桂海潮转身需要的角动量比较小，所以还没等他栽倒，我们就先看到他在太空转身了。

　　对了，咱们之前讲过的叶光富通过旋转手臂来实现太空转身的实验，其实和这个实验的原理完全一样呢！现在你对角动量守恒的理解更加深入了吗？

　　角动量守恒原理在日常生活和太空中的应用非常广泛，最常见的就是通过高速旋转的陀螺为交通工具导航，这就是陀螺仪。陀螺仪通常由多个陀螺组成，每个陀螺的旋转面相互垂直。这些陀螺都在高速旋转，具有的角动量非常大。只要交通工具改变运动方向或速度，陀螺仪中的陀螺就会对抗这种改变，并把受到的外力通过计算机反馈给导航系统，这就可以为轮船和飞机提供十分准确的导航服务了。

　　在中国空间站中，角动量守恒有一项更重要的应用，在讲这项应用之前，我们先来思考一个问题：空间站在太空中运行，我们肯定是希望它可以像飞机一样，沿着水平的方向向前飞行的，可是由于微流星的撞击、稀薄空气带来的阻力、地球的阻力等因素，还有飞船对接、舱段转运等操作，它飞行的姿态难免发生变化（可能会侧着身飞行或者抬着头飞行），时间久了，空间站就要偏航了，那如何调整空间站的姿态呢？

　　你可能已经想到了通过推进装置来解决这个问题。没错，我们可以为空间站安装一些推进装置，当空间站的姿态发生偏转，我们就沿着偏向的方向用推进器来喷气，这样，喷气所产生的反作用力就可以把飞船推回正确的方向上。

　　这个方法简单方便，但是也有一个大问题，那就是太贵了！想要获得足够的反作用力，推进器就需要通过消耗燃料来喷出大量的气体，送一点点物品上太空都需要很高的发射成本，更何况宝贵的燃料需要用来维持空间站的日常运行以及应对突发状况，怎么可以轻易消耗呢？于是，工程师们想到了另一个办法，那就是利用角动量守恒定律。

　　空间站姿态发生偏移，不就是发生了旋转吗？如果我们在空间上安装一个陀螺，通过它来产生巨大的角动量，空间站不但不容易被各种因素“带偏”，还可以自行调整姿态。中国空间站就采取了这个办法，工程师们在天和核心舱外侧安装了六个被叫作控制力矩陀螺的大陀螺。这些陀螺通过太阳能电池带来的电能高速旋转，进而产生了巨大的角动量。当空间站姿态发生偏移或者需要调整姿态的时候，航天员会主动控制这些大陀螺。和正在转动黄铜陀螺的桂海潮一样，陀螺也会反过来让空间站发生旋转，从而就实现了空间站姿态的调整啦！

　　到这里，天宫课堂第四课的实验部分就结束了。下一期，我们再一起观看趣味横生的天地互动环节吧。