六、热心教育的航天员

唐·佩蒂特

佩蒂特（图2-42）在成为航天员前，是一名科研人员，参加过一些与航天有关的研究。例如，他在失重飞机上进行过重力减少对流体流动和材料加工影响的研究、探空火箭形成夜光云的气体光谱等研究。这个研究人员出身的航天员，有一股科研人员所具备的求知欲强、喜欢做前沿、挑战性研究的性格，他不喜欢做重复的研究。能够成为一名航天员，进入太空这个地面上所从未遇到的特异环境，怎么能不激发起他创造性研究的热情呢？

佩蒂特是一个经验丰富的、参加过3次太空飞行的航天员：第一次是在2002年，作为国际空间站第6长期考察组的飞行工程师，在太空停留了176多天，此期间他进行过13个多小时的舱外活动，参与国际空间站的组装工作，同时还完成了很多美国和俄罗斯的科学实验；第二次是参加了2008年的航天飞机任务，主要的任务是为国际空间站提供一个新浴室、厨房、两间卧室、运动器械和水循环系统。最后一次是作为国际空间站第30长期考察组的成员，也是3名航天员中年龄最大、飞行经验最丰富的航天员。

在三次太空任务中，佩蒂特不仅是个称职的航天员，完满地完成了自己应该完成的任务，而且出于对学生航天教育的关心和他自身具有的创新精神，尽量利用在太空的宝贵时间，别出心裁地进行了多次太空小实验和小创造。佩蒂特利用空间站中近手可得的材料和玩具，为学生们示范物理现象中重力所起的作用。他将整个实验拍摄成视频，在视频的末尾向观看者提出问题，并将拍摄的视频上传到网站。下面我们介绍佩蒂特进行的部分实验。

空间站上的“愤怒的小鸟”

在执行国际空间站第30长期考察组任务期间，飞行工程师唐·佩蒂特在太空“玩”起了“愤怒的小鸟”这个游戏，他并不是为了娱乐，而是为“愤怒的小鸟·太空版”做一个DVD片，视频中是一场真正的“愤怒的小鸟”与绿猪的太空大战。做这个物理演示的目的，是让学生们在玩这个游戏的时候，也能受航天知识教育。了解在重力消失的情况下，弹射出去的“愤怒的小鸟”将会按照什么轨迹运动？与地面时有何不同？

为了进行这个实验，佩蒂特借来了一个红色的小鸟，这个小鸟是他的同伴去年带到国际空间站的，鸡蛋也是现成的，没有小猪如何办？佩蒂特灵机一动，用绿色气球囊吹出一个大气球，用笔在上面画了猪鼻子、眼睛和嘴巴，就成为一个惟妙惟肖的猪了（图2-43）。佩蒂特首先将这三样东西从手中放开，演示在微重力环境下漂浮的情况（图2-44）。然后，他将两根弹力带绑在舱门上，用它将愤怒的小鸟弹射出去（图2-45）。当然，太空中的小鸟，不会像在地面上那样按照牛顿定律来运动了，也不会像在地球上那样坠落到地面，它们像气球一样在舱内到处漂浮着。佩蒂特的整个演示被拍成视频，并加上他的解说，被制成DVD，作为“愤怒的小鸟·太空版”的附件之一，可以为学生们证明空间站到处都是微重力。在进行“愤怒的小鸟·太空版”的游戏时，小鸟运动的轨迹不仅要考虑到微重力的影响，还要考虑到星球之间力的作用。通过这个，可以演示宇宙中力对物体运动的重要性。通过这个游戏和视频，可以增加学生们对宇宙探索的兴趣，激发学生们今后选择科学、技术职业的取向。因此，NASA对此很感兴趣，特意安排了佩蒂特在太空进行这项小演示工作。

链接　太空版的“愤怒的小鸟”

“愤怒的小鸟”是一款孩子们很喜爱的游戏，这款游戏的故事相当有趣，说的是绿猪抢走了小鸟的蛋，为了报复偷走鸟蛋的肥猪们，鸟儿以自己的身体为武器，像炮弹一样地去攻击肥猪们的堡垒。在游戏中，用鼠标将那只在弹弓上的小鸟向后拖拉，并调整发射角度，松开鼠标，那只小鸟就会弹射出去，要让小鸟把猪打死，还得把障碍物打破。用小鸟打猪的时候，必须要用力打，要不然小鸟就会坠地而亡。这款游戏风靡世界，据最新报道，《愤怒的小鸟》开发商Rovio的估值已高达90亿美元。这只飞翔在人们手机、平板、电脑、电视等几乎所有屏幕上的“愤怒的小鸟”，正逐渐把Rovio打造成一个“小鸟帝国”。现在开发商又将推出了一款新的“愤怒的小鸟·太空版”，据说这将是对该款游戏进行的最大一次升级。这款全新的游戏，有着全新的玩法，但是也会将小鸟迷们已经熟悉和喜爱的某些元素保留下来，另外再添加一些令人惊喜的元素。在此游戏中，一个巨爪绑架了小鸟的蛋。愤怒的小鸟追赶这个巨爪到一个虫洞，发现自己漂浮在一个陌生的新星系中，且被太空猪包围了！“愤怒的小鸟”用自己的超级力量与太空猪在太空进行一场你死我活的大战（图2-46）。

大泡泡套小泡泡

吹泡泡，这是孩子们常玩的一种游戏，没有什么令人奇怪的。但是，佩蒂特在国际空间站上也“玩”起这个游戏，当然他的目的不是娱乐，而是进行一项科学实验。太空中吹泡泡不像地面上泡泡很快就会破裂，而是产生了地面无法模拟的奇异效果。

在国际空间站上进行这项实验时，佩蒂特首先吹起了一个大水泡，这个水泡有一个很厚的边缘，佩蒂特将其描述成“一个厚厚的水球壳”。他小心翼翼地用针头在大泡泡的边缘将水注入，奇怪的现象发生了，里面的水像离心机一样旋转起来，微小的泡泡向中央集中（图2-47）。然后，他用一个针筒将一个泡泡注入到这个大泡泡内部，由于空间站上没有重力，第一个泡泡和第二个泡泡之间的边缘很厚，并且能够存在很长时间而不破裂（图2-48）。佩蒂特在上传到Digg.com网站的视频中说：“现在，让我来给你们展示一些让人兴奋的事情。”说完，佩蒂特将第三个泡泡注入中央，这个泡泡会在沿着边缘旋转。他兴奋地说：“这个小泡泡沿着边缘旋转，中央出现很多微小的气泡。如果我也是一个泡泡，我一定会像它一样。”佩蒂特借助激光观察这个小泡泡的移动以及不同泡泡层的光线反射，他看到水壳内的很多微小泡泡发生弹跳，并反射光线。他说：“现在，我要对观察到的现象进行研究。”

有魔力的编织针

值守在国际空间站的航天员唐•佩蒂特在太空给地球上的学生演示了一个十分有趣的实验——水滴绕毛衣针在太空飞舞，以验证带静电的毛衣针在太空如何影响水滴运动。他拿来了一根小的特氟龙材料做成的编织针，用一张纸在上面来回摩擦了几下，使它产生静电。然后取出一根装有水的注射针，在靠近编织针的附近推出一个小气泡。奇迹发生了！编织针好像有魔法一样，让气泡在它周围来回飞舞，不让它远去，直到气泡“筋疲力尽”地附着在编织针上。佩蒂特又用针推出了一窜小气泡，这些小气泡围绕着编织针不停地飞舞，煞是好看！最后的下场也与第一个气泡一样，被吸附到编制针上（图2-49）。如果你在地面上进行同样的实验是看不到这种现象的，地球重力的作用将会超过编织针的静电作用，会让小气泡按照作用在它上面的合力方向漂浮，最后在空中破裂或坠落在地面。太空重力的消失将静电魔力显示出来了。

星期六早晨的科学实验

作为国际空间站第6长期考察组的科学官员，佩蒂特总是盼望着星期六早晨的到来。因为只有这个时候，他才有空闲时间可以进行自己设计的一些趣味性实验，他想看看在微重力状态下液体的流动和一些物体的运动特性发生了什么变化。他利用空间站上随手可得的小物品，进行了21项实验，在此，就介绍其中最有名的水薄膜实验。

佩蒂特将细铁丝弯成不同直径的铁环，直径从3.5～15厘米以上。他将铁环插入大口杯中，然后又把它拿出来。当铁环上的水消退的时候，一个水薄膜紧紧地粘在环上。他从来没有看见过这样大的水薄膜，而且非常牢固。他拼命地摇动它，向它吹气，甚至在它上面画画都没有使它破碎（图2-50）。他十分惊讶：“它们看上去就像一块块橡皮，能够承受所有的机械撞击。”

这种现象在地球上是不可能出现的。无论你如何努力，都不可能在直径为1厘米的环上形成薄膜环。即使形成了薄膜，它也是很脆弱的，一个轻微的碰撞或是人的呼吸动作都会使它破裂。为什么太空薄膜如此坚硬？了解地球上水薄膜和太空水薄膜的区别，可以使我们对表面张力有进一步的认识。

表面张力是液体的一种特性，是由于液体表面上或表面附近的分子聚合力的不平衡而形成的，其结果是使液体平面趋于收缩，并具有类似于展开的弹性膜的特性。表面张力普遍地存在于自然界，但由于它所处的环境不同，就会显示出不同的特性。

假设在地球上，你有一个水薄膜，让它的面与地面平行。由于地心引力的作用，使得薄膜中间部分变得松弛了。铁环边缘的水向下流，在薄膜中央形成了一个小水池。这样，薄膜松弛得更厉害了。水池变得越来越大，直到它的重量将薄膜撕成两半。

如果在太空，重力消失了，薄膜将处于一种无重力状态。薄膜不会变得松弛，也不会形成中央的水池。这样表面的张力在与地球引力的抗衡中就占了优势，其结果是形成了一个坚固、长命的膜。佩蒂特说：“我们做的一些水薄膜寿命超过12小时。”

在此基础上，佩蒂特花了一些时间观察不同直径铁环形成的薄膜和一些影响它的因素。他用2秒/周的频率振动铁环，可以看到薄膜出现明显地扭曲，就像你用一个声波振动器去振动橡皮薄膜一样。这种振动使薄膜中央部分前后移动的距离达2厘米。接着，佩蒂特将含有细小云母薄片的溶液滴到薄膜上，采用这种方法可以发现薄膜中隐藏的流动和漩涡。然后佩蒂特用嘴吹薄膜。这时，令人着迷的形状出现了，它看上去就像螺旋星云，这种美丽的图案持续四小时以上。

下一个节目是在水薄膜上绘画，佩蒂特将四滴食用色素（红、蓝、绿、黄）滴到一个水薄膜上。然后推注射器，用小针头上打出的气流来推动色滴移动，这样可以绘制出不同的图画。其中一幅画看上去就像一只鹰，其他的看上去就像抽象画（图2-51）。

虽然佩蒂特在太空中进行的实验看起来很简单，但里面有深奥的物理学基本原理，这使我们更进一步认识到在太空中进行基础物理学原理的研究是十分必要的。在地球上，由于重力的作用和物体的三维运动，使一些物理现象变得复杂了。微重力情况下的二维薄膜是一种很好的研究工具，它可以为地球上很多的工业提供有价值的数据。

令佩蒂特没有想到的是他这些出于好玩和受自己好奇心驱使的实验不仅在物理学的研究中有非常大的价值，而且令学生们感到浓厚的兴趣。NASA《自然科学杂志》发表了一系列以学生为对象的有关佩蒂特星期六早晨自然科学活动的故事，高中和大学生们也进行了以地面为基础的类似实验，他们将自己的研究结果和那些在太空中获得的研究结果进行对比，对物理学中的一些定律有了更深的了解。美国的自然科学教师也利用NASA拍摄的“星期六早晨的科学”视频来进行物理学教学。

太空杯

在太空零重力状态下要饮用任何液体都不是一件容易的事，如果你像地面一样，将饮料放在杯子中喝，饮料将会变成液滴，从杯子中“飞”出来，到处漂浮，其后果不堪设想。因此，航天员们通常用塑料吸管小口地吸食密闭在袋子中的饮料，这使习惯用杯子喝咖啡的佩蒂特感到不舒服。

对于喜欢搞小发明的佩蒂特来说，又开始动脑筋了。他从飞行数据文件任务书上撕下一片透明塑料片，将两端合起来，用密封胶条将其密封，同时将底部一端也密封。这样，就做成了一个有着水滴状外形的杯子。然后，他将空间站中密封袋里的咖啡小心注入这个太空杯中。由于太空微重力使液体表面张力很大，液体内部的表面张力可避免咖啡液体漂浮和横向流动，重力消失也不会让杯子中的水向下滴。所以，尽管他将盛有咖啡的太空杯抛向空中，太空杯只在空中飘浮，杯中的咖啡仍然在那里“稳坐钓鱼台”。由于杯子的一边较另一边狭窄，形成毛细作用，使杯中的咖啡形成一个“L”形，杯口的咖啡被人吸饮后，下面的咖啡自动地补充上来，非常有趣！佩蒂特在视频中演示了他用太空杯喝咖啡的情景，确实令人感到这是一个非常好的咖啡杯（图2-52）。

佩蒂特发明的“太空杯”马上派上用处，在27日感恩节当天，国际空间站里“觥筹交错”。“奋进”号的7名宇航员和国际空间站的3名工作人员举起佩蒂特发明的塑料杯共饮冰茶庆祝节日，他们将盛有冰茶的太空杯抛向空中，让他们在空中自由漂浮。然后，需要喝时，伸手将杯子“抓”回，共同举杯祝贺节日。这种举杯共饮的方式可谓世上少见，为他们增添了节日乐趣。在未来太空任务中，航天员们都可以使用这种方法制作太空杯，举行庆祝会，互相敬酒。

佩蒂特在太空进行的别出心裁的科学实验远不止此，上面仅仅介绍了其中几个。这些在地球重力环境中无法看到的物理现象，不仅令学生们大感兴趣，为普及航天知识、增加学生们学习物理学兴趣和奠定学生们今后从事科学研究的志向做出了巨大贡献，也为重力物理学研究提供了宝贵的素材。

总之，通过来自太空的教育，不仅巩固了学生们的课堂知识，也使学生们认识到太空探险的意义和坚定了为之贡献一生的决心。这些学生正是航天事业的未来，他们可能成为今后飞往月球和火星的航天员、航天医学研究中的专家或建造未来飞船的工程师。