小学语文【百科探秘】之航空航天（2024年第5期）书签版

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神奇的中国古代飞行器 19 太空科学课（二十四） 　　　——奇妙的“乒乓球”赛 21 太空中的神奇运动 　　　——打乒乓水球 24 共享互联（下） 4 看不见、摸不着的“压力山大” 　　　——发现气压 370 周年纪念 目 次 48 冲关我最棒 28 诗词中的天文学 　　　——繁华的天上街市 32 月亮和星星的游戏 34 汪望望望远镜指南 36 5 月天象预报 42 回响（三） 37 长河落日圆不圆？ 版权声明 来稿凡经本刊采用，如无电子版、有声版方 面的特殊说明，即视为投稿者同意授权本刊及本 刊合作媒体进行信息网络传播发行。本刊支付的 稿费包括上述使用方式的稿费。本刊拥有改编、 出版已刊发作品的权利，作者向本刊投稿即视为 同意以上约定，若有异议请事先说明，以便本刊 酌情处理。本刊作品版权归新蕾出版社（天津）有 限公司所有，未经许可，不得转载、摘编。 因部分图文作者联系方式不详，请见刊后速 与我社联系，以便寄奉稿酬。 投稿须知 本刊各栏目欢迎读者投稿， 来稿不退，敬请作者自留底稿，一 个月内如未收到采用通知，稿件请 自行处理。作者须保证作品的原 创性、科学性和知识准确性，不 得抄袭、剽窃，切勿一稿多投。 ●中国航空学会单位会员 ●中国科普作家协会单位会员 ●中国科普期刊研究会单位会员 ——发现气压370周年纪念 看不见、摸不着的“压力山大” 文 / 于鹏翔　图 / 刘擦擦 1654 年 5 月 8 日，晴空万里，微风习习。在德国（当时还 是神圣罗马帝国的一部分）的雷根斯堡城郊外广场上，大群市民 聚在一起，望向广场的空地。这天既不是节日，也没有大型聚会， 他们在关注什么？ 此时，一个人正拿着两个半球缓缓走来。他的身后，助手们 手里拿着一堆管子和一些奇奇怪怪的物件跟随着。而广场的空地 上，一群骏马和马夫早已等候多时，骏马不耐烦地踏着蹄子，扬 起了阵阵灰尘。 看到主角登场，市民们开始窃窃私语： “市长手里拿的是什么东西？” “似乎能拼起来，难道是要表演杂技？” “听说这是要我们看到空气的力量，空气怎么还能有力量？” 一个实验惊世人 编者按 你坐过飞机吗？在飞机急速升降时，人们常常会觉得耳朵不舒服。这是 因为气压急速改变，挤压耳膜所引发的正常现象。我们都知道人类离不开空 气，但看似轻飘飘的空气，实际上会产生巨大的压力。人们什么时候认识到 这个压力，科学家又是怎么发现它的奥秘的呢？ 4 特别策划 “这些马是干什么的？是要举行赛马比赛吗？” ………… 被称为市长的正是拿着两个半球的马德堡市市长，叫奥托 • 冯 • 格里克。这位市长不仅是官员，也是一位科学家和发明家。 他的助手拿着的正是他发明的真空泵。格里克走到广场正中，和 助手一起开始组装他的实验设备：他们把两个铜质半球中间垫上 皮革，再把两个半球壳灌满水，确认无误后严丝合缝地装在一起。 紧接着，助手把真空泵接到铜球上，开始向外抽水。同时格里克 向众人介绍说，这个球直径 14 英寸（大约 36 厘米），中间用浸满 了油的皮革密封，保证空气不会进到球里面，现在里面充满了水，助手用真空泵抽出里面的水，球 里面就是真空的，只有周围的空气压着这个球，两队马向相反的方向拉这个球，直到两个半球分开。 在高头大马的衬托下，这个铜球显得十分小巧。在场的人都不太相信能有什么力量可以抵 ◎格里克 5 我们生活在空气的海洋中 这个托里拆利是谁？这里面究竟有什么故事呢？让我们先来到 17 世纪初的意大利。 这时，世界上有很多人住在山上。他们用水很困难，需要将水一桶一桶地从山脚提到家里。 而意大利人已经用上了方便的吸水管——管子的一端被放在水井中，人们把另一端的空气抽走， 水就会自动从低处升到高处。但为什么水会自行向高处流，当时的人沿用了亚里士多德的观点： “自然界讨厌真空。”一旦真空产生，就会有东西将它补满。 住两边马匹的力量。随着马夫的吆喝，大家也都瞪大了眼睛，看两边的马嘶叫着用力，中间的 两个半球似乎被施了魔法，紧紧地扣在一起，抵抗着两边马匹的拉力。眼看拉不开，马夫开始 给两边增加马的数量，一匹、两匹……一直到两边各有八匹马。随着砰的一声巨响，人群中发 出一阵惊呼。因为仅仅依靠空气的力量，居然用了十六匹马才把两个半球拉开。空气竟然有这 么巨大的力量！ 人群中的格里克露出了微笑——这一次，他向世人展示了科学的力量，也为远在意大利的 托里拆利正名。 6 有人发现了一个问题，一旦管子的高度差超过 10 米，无论他们如何努力，水都无法再往上 升了。1630 年，工程师乔加利亚诺写信给伽利略，问他为什么自己设计的用于将水输送到 12 米 高的山上的吸水管无法工作。伽利略思考了这个问题，提出了自己的想法：空气是有重量的， 真空也是可以存在的，而且真空也可以产生力量，叫作真空力。正是这个真空力从上面吸引水 往高处流。之所以水无法再提高，就是因为真空力已经到达了极限。但是空气的重量从何而来， 这个真空力又是什么，伽利略并没有给出答案。 1640 年，相信“实验出真知”的伽利略和他的两个助手在意大利佛罗伦萨的一口水井中开 展了一场实验：他们将一根管子放进水井中，由两人用抽水泵抽出管子里的空气，但无论他们 多么努力，果真水位在井中水面约 10 米高。到底是什么原因让管子中的水只能有这么高？是真 空力真的有极限吗？不同粗细的管子里面的水的重量是不一样的，为什么真空力都是只能提水 到约 10 米高？ 两年之后，伽利略去世了。当年的助手继承了老师的衣 钵成了新的研究者，而这位助手正是我们刚刚提到的托里拆 利。他结合老师之前的研究，有了一个想法：提水的力量不 是真空的力量，而是空气的重量，水能提到 10 米高，是因为 这个高度的水产生的压力和空气（大气）产生的压力正好相 同。如果真是这样，那么密度不同的液体在管子中 的高度就应该是不一样的。 为了证实自己的猜想，托里拆利选择了一种 密度很大的液体：水银。水银的密度是水的 13.6 倍。如果大气有自己的重量，能把水压到约 10 米，那么对应的，水银就应该被压到约 10/13.6 米（70 多厘米）这么高。1643 年，托里拆利用一支约一米长的玻璃管进行了实 验。玻璃管一头密封、一头开口，他把玻璃管中灌满水银，然后用手指顶住管口，将 其倒插进装有水银的槽里，放开手指后，水银的顶部不出所料地下降了。管子上部留 出的这段空间里面正是真空，而管子下面仍充满水银。很快，水银的高度稳定了下来， 不出所料，这个距离正是 70 多厘米。之后，托里拆利不断地改变实验方式，他发现无 论是改变管子的粗细、管子上端的形状，还是倾斜管子，水银的高度都维持在同样的 高度。直到有一天，风雨交加，托里拆利继续自己的实验，但是这次水银的高度却降 低了。管子没有变、水银没有变、实验步骤也没有变，这时候他恍然大悟：管子中液 ◎托里拆利 7 面高度之谜的答案不是液体自身的重量，也不是什么真空力，而是大气的变化。 大气是有重量的，对它下方的物体产生压力。而管子中水银柱维持在一定高度，是因为大 气给了水银槽压力，管子上空的真空没有大气压力，所以水银被大气从水银槽挤到了管子里面， 同样环境中气压不变，水银柱的高度也不变。而水能达到的高度更高就是因为水的密度更小， 大气可以把水压得更高，但是也有限度，这个上限是 10.336 米。几十年的水管之谜终于得到了 答案，而水银上方的那部分真空也被叫作托里拆利真空，表示真空度的单位被叫作托（符号为 Torr）。将细直管内的水银顶高一毫米的压力就是一托。这种实验设备也被叫作托里拆利气压计。 1644 年，托里拆利在给朋友的一封信中写了一句著名的话：我们生活在空气海洋之底，气 压是无处不在的。 科学家们对于大气的认识越来越准确。但是大众对于这种看不见、摸不着的知识依然存在 疑问，于是才有了我们开头看到的一幕，格里克用更加直观的实验让大家相信了我们生活在大 气的海洋中。 8 数学天才的实验 托里拆利揭开了气压奥秘的一角，消息传到法国， 另一位天才登场了。这个人叫帕斯卡，1623 年出生于法 国，母亲早逝，父亲是一位税务官员。因为帕斯卡从小 体弱多病，父亲担心他精力有限，没有让他过早研究数学， 而是去学习了当时更加有用的拉丁文和希腊文。但是兴 趣是挡不住的，有一次当他的父亲看到 12 岁的帕斯卡在 墙边演算几何题时，这位精通数学的官员终于肯定了帕 斯卡的数学能力，允许他去系统地学习数学知识。16 岁时， 帕斯卡写了一篇关于圆锥曲线的内接六边形的短篇论文， 其中的方法就是至今依然广泛使用的帕斯卡定理。帕斯 卡的作品十分成熟，以至于当时著名数学家笛卡儿看了他的手稿后，拒绝相信这是一位 16 岁的 少年所写。帕斯卡一生在数学上有诸多贡献：在几何学上有帕斯卡定理；在代数上有帕斯卡三 角形；通过讨论掷骰子时某种组合出现的概率，他还为近代概率论奠定了基础；为了减轻自己 父亲的计算负担，他甚至发明了世界上最早的计算器之一。 ◎帕斯卡 ◎滚轮式加法器（Pascaline）是帕斯卡为父亲发明的一种计算仪器 9 当托里拆利提出的气压相关理论和实验传到法国的时候，还有很多人不相信。人们承认托 里拆利的实验，但是认为水银柱上方不是真空，而是一种“气”，是这种气牵引水银柱上升。 帕斯卡赞成托里拆利的分析，他的证明方法依然是实验。他用两根一端被封闭的管子，一根装水， 一根装葡萄酒。实验前，他问大家，哪一根管子中的液体在实验时会变得低一些？人们普遍回 答说是葡萄酒，因为葡萄酒比水更易挥发，会挥发出更多的气体把液柱压下去。但是最终的实 验结果与人们的预期完全相反，装有葡萄酒的管子里的液柱比装水的那个更高，这表明葡萄酒 上面并没有产生会把液体压下去的“气”。实际上，是因为葡萄酒比水的密度更低，它的液柱 才被大气压得更高。 与此同时，帕斯卡也在深刻地思 考什么是气压。葡萄酒和水的实验证 明，如果液柱上方是真空的话，能够 支撑液柱不落的原因只有一种解释： 是周围空气的压力。气压来自大气的 重量，位置越高，空气密度就会越小， 也就是说高空的气压要比地面的气压 小。如果能测出气压随高度的变化而 变化的具体情况，就能揭示气压的本 质，而验证思考的最好方法依然是实 验。帕斯卡的家乡就有一座高山，但 是因为担心自己的身体状况，于是帕 斯卡委托自己的姐夫佩里埃去开展实 验。佩里埃拿着气压计一边爬山一边 测量，发现果真是海拔越高，水银柱 就越低，山顶处水银柱的高度比在山 脚处少了 8.5 厘米。帕斯卡得到这个 结果后很兴奋，前往巴黎一座高约 50 米的塔上做了同样的测试，也得到了 同样的结论。 由此，帕斯卡证明了我们生活的 10 生活中的气压 气压到底有多少力量呢？国际上是这样规定的：温度为 0℃、纬度 45 度海平面上的气压被 称为 1 个标准大气压。1 个标准大气压 =101325 帕斯卡 =10.336 米水柱 =760 毫米水银柱 =760 托。 看，帕斯卡和托里拆利在国际单位上再次相遇了！ 水银气压表上的数值为 760 毫米水银柱高。这相当于 1 平方厘米的面积上承受着 1.0336 千 克重的大气压力。这个压力有多大呢？你伸开手掌，手掌面积大约是 100 平方厘米，此时手上 相当于承受着 100 多千克的重量。你是不是觉得很奇怪，这么重为什么一点儿感觉都没有？这 是因为在你手掌的下方，也有一个这么大的力量在支撑，两者相抵，你就感受不到重量了。我 们的身体时时刻刻都在承受着这样的气压，而之所以感受不到，也是因为我们身体适应了气压 平衡状态。距离地表越高，气压就越低，因此飞机在高空飞行时会给机舱内部加压。在远离地 面的太空，气压几乎为零，因此航天员在出舱进行太空作业的时候，航天服除了要提供氧气， 也要进行加压设置。 在气象领域，气压的变化是天气变化最直接的指示之一。地面很热的时候，近地空气会受 热膨胀，地表气压就会下降，此时升到高空的空气有可能会形成一场突如其来的倾盆大雨。也 就是说，突然的低压就是提示我们出门要带伞了。空气变冷的时候会收缩下沉，导致地表气压 增加，所以突然的高气压预示着我们可能会遇到降温但是晴朗的天气。 空气存在压力，并且空气因高度不同而产生密度差异，进而造成气压不同。他还发现气压与天 气也存在关系——下雨天的气压会比晴天的气压更低。 帕斯卡揭开了气压的奥秘，为了表彰纪 念他的功绩，后人用帕斯卡（符号为 Pa）作为压强的国际单位。 11 在气象学中，我们经常会用千帕斯卡（简称千帕，符号为 kPa）或者百帕斯卡（简称百帕， 符号为 hPa）来表示气压。通过气压图中的气压高低分布和数值差异，天气预报员可以很快分析 出风向和风力大小，就像我们见到山的坡度方向和高矮就能判断出山坡上水的流向和流速一样。 生活中的气压无处不在，你都在哪里发现过它们呢？炎热的夏天，喝一杯冷饮再惬意不过了。 当你用力嘬吸管喝到杯子里的饮料时，有没有想过是你让吸管里产生了真空，从而让大气把饮 料压进了你的嘴里？下次你嘬紧喝饮料的吸管时，注意吸管里的饮料不会落下，就跟当年托里 拆利的实验一样。当你把一个真空挂钩按紧在瓷砖墙上，让它能够稳稳固定的并不是塑料的黏性， 而是大气压力，这和格里克所做的马拉半球实验如出一辙。当你爬山的时候，可以拿出一个气 压高度计去查看此处的气压和高度，这正是帕斯卡给我们留下的财富。 从伽利略猜想真空力，到托里拆利实验证明大气拥有压力，再到帕斯卡实验证明了气压的 存在和变化，人类对于气压的认识越来越深刻，但是关于这个神奇的世界，我们依然存有很多 疑问，其中可能还存在着很多类似“自然界讨厌真空”的错误说法。别忘记，我们要像发现气 压的这些科学家一样，带着大胆的猜测、缜密的思考和细致的验证去一点一点解开科学世界里 的未解之谜。 12 舜与竹蜻蜓 2013 年，在新疆西北部哈巴河县的多乃特山谷中，一个牧民 发现了一块奇特的巨岩。岩石上，居然绘制了若干神似飞机、飞碟、 火箭等的图案。经过碳 14 检测，科学家发现这些疑似绘有飞行器 的岩画距今已有上万年的历史。这些图案到底是什么呢？是远古 的飞行器，是古人捕猎用的器具，还是外星人的 UFO ？为此，国 家相关机构成立了一个由物理学家、考古学家组成的调查组，但 调查后仍无法给出明确的结论。事实上，在许多典籍中，早就记 录了古人和飞行器的有趣故事，今天我们就一起去看看吧。 相传上古时期的舜帝是首个利用器物 进行飞行实践的人。据《史记 • 五帝本纪》 记载，舜早年丧母，继母对他并不好，常 在舜的父亲瞽（gǔ）叟面前讲舜的坏话。 久而久之，瞽叟也对舜产生了厌恶。有一 次，舜爬到谷仓屋顶上劳作，瞽叟在继母 的挑唆下竟然悄悄撤下了梯子，点燃了谷 仓，欲除掉舜。舜自然不会坐以待毙，情 急之下他随手抓起了身边的两顶大斗笠作 为“翅膀”，从谷仓上一跃而下，得以逃 生。舜的斗笠相当于现在的降落伞，因此， 才留下这样一个传说，并称舜帝是第一个 利用器械飞行的中国人。 *本文红色剪纸图案均为同济大学沈海军研究团队原创作品。 神奇的中国古代飞行器 文 / 沈海军　图 / 梁　健 13 航空博物馆 风筝的军事用途 风筝对于我们每个人来讲都不陌生，相传它是春秋战国时期由墨子发明的，是世界上最早 的飞行器。我国古代称风筝为纸鸢或木鸢，它不仅是休闲娱乐的玩具，更是被频频应用于军事 领域，在不少史料中均有记载。 古籍《渚宫旧事》说鲁班“尝为木鸢，乘之以窥宋城”，就是讲述鲁班用木材制作载人风 筝，用于高空侦察宋国城池布防的故事。公元前 190 年，楚汉相争，汉军元帅韩信攻打未央宫时， 曾利用风筝及风筝线长度等测量未央宫下面的地道的距 离。垓下之战中，项羽的楚军被刘邦的汉军围困，韩信 派人用牛皮做风筝，上附竹笛，迎风作响，汉军配合笛 声，唱起楚歌，涣散了楚军士气，这就是成语“四面楚 歌”的故事。据唐代《独异志》记载，梁武帝曾利用风 筝在军事活动中传达消息。在 13 世纪的金蒙战役中， 金人曾放出附带鼓励被俘兵士叛逃的传单风筝。当风筝 飘到蒙古兵战俘营上空时，他们便把线切断，将传单散 播出去。 相对于别史，正史中关于军用风筝的记载要少许多。 据《南史 • 侯景传》记载，549 年梁武帝萧衍掌权， 侯景作乱，叛军将梁武帝围困于都城建邺（今南京）， 内外断绝，有人献计制作风筝，把皇帝诏令系在其中， 春秋时期，中国人发明了竹蜻蜓。这个神奇的玩 具老少皆宜，流传至今。竹蜻蜓的外形呈 T 字形，通 常用竹子制作。横的一片是螺旋桨，两边的桨叶偏转一 定的角度，中间开孔，插入一根竹棍，两手搓转竹棍， 桨叶产生升力，竹蜻蜓就会旋飞上天。18 世纪，竹蜻蜓传 到欧洲，被称为中国飞陀螺。英国航空先驱乔治·凯利曾 对竹蜻蜓十分痴迷，他仿制、改进了竹蜻蜓，并一度在讲学 时将其带在身边，以便于向听众解析、演示螺旋桨的工作原理。 可以说，中国的竹蜻蜓就是现在直升机的雏形。 ◎可载人的大风筝 ◎舜利用斗笠跳下谷仓 14 ◎科迪与载人风筝 当时太子简文在太极殿外，乘西北风施放风筝向外求援，风筝不幸被叛军发觉射落，不久台城 即遭攻陷，梁朝从此衰微灭亡。 不仅是中国，英国皇家海军也曾将风筝用于军事。据记载，一个叫科迪的美国冒险家 1902 年给英国国防部提出建议——建议英国军队采用载人风筝作为高空侦察装备。科迪的建议得到 了英国军方的重视。从 1903 年开始，科迪和英国海军一起进行了一系列的初期试验。他们使用 的航空器，便是需要军舰牵引的风筝。经过多次试验，科迪成功将自己设计的风筝从军舰上放 上了天，并搭载一名记者飞越了英吉利海峡，这引起了极大的轰动。1908 年，经过反复商议， 科迪和英国军方达成一致，先后尝试在复仇号、里克雷特号等战舰上放飞载人风筝。载人风筝 最高能飞 600 多米，英国军方训练了一批可以执行此任务的飞行员，形成了海军最早的航空兵 力量。 不过，这种载人风筝最终还是昙花一现，因为它在海上飞行受气流影响，很不安全，而且需 要舰船牵引，活动范围受限。飞机出现后，搭载飞机的航空母舰应运而生，载人风筝就被淘汰了。 15 火药是中国的四大发明之一。中国人很 早就把火药作为飞行器的动力，研发了古代 的火箭。当然，古人不可能研制出我们今天 载人航天的火箭，而是将其应用于军事用途， 大范围提升弓弩的射程。 古代的火箭类似大家过年放的“蹿天猴”。 其工作原理如下：箭杆上缚有一纸筒，里面 装满火药，纸筒的尾部有一根引线。通过引 线点燃火药，猛烈的气流会向后喷射，从而 推动火箭上天。这种原始的固态火箭，早在 宋朝就已经出现了。据《宋史 • 兵志》记载： “时兵部令史冯继升等进火箭法，命试验， 且赐衣物、束帛。”说的就是宋朝兵部官员 冯继升试验火箭的事。 据史料记载，明朝初期，有人将火箭和 风筝的原理相结合，发明了原始的飞弹。这 就是带翅膀的震天雷炮。攻城的时候，只要 顺风点燃引线，震天雷炮就会径直飞入敌人 城内，等引线烧完，火药就爆炸造成很大的 杀伤效果。除此之外，明朝还出现过一种被 称为神火飞鸦的飞弹。这种飞弹用竹篾扎成 乌鸦状，内部填满火药，发射后能飞百丈之遥， 可对敌方造成伤害。不仅如此，明朝军队还 把几十支火箭装在一个大筒里，把各支火箭 的引线连到一根总线上 , 发明了“一窝蜂”。 这种武器能同时发射几十支带火的箭，威力 惊人。 ◎ 一窝蜂 古代的火箭什么样？ ◎震天雷炮 ◎神火飞鸦 ◎火龙出水 16 据明朝军事著作《武备志》记载，明 朝人还发明过一种名为火龙出水的原始两 级火箭。火龙出水的龙体为一根五尺（明 代的一尺约为现代的 31.1 厘米）长的大竹 筒，上面前后各斜扎两支大火箭。这两支 大火箭实际上相当于第一级火箭，用来推 动龙身腾飞。龙腹内装有多支火箭作为第 二级。使用的时候，先点燃第一级火箭， 待飞到两三里（明代的一里为现代的 550 多米）远的敌人阵地上空，引线会自动点 燃装在龙腹里的第二级火箭，火箭会从龙口中直飞出去，对敌人造成杀伤。 美国作家赫伯特 • 瑟姆的书籍中记录了明朝官员试图利用火箭实施载人飞行的事。他写道， 明朝官吏万户在椅子后面安装上四十七支大火箭，人坐在椅子上，两手各持有一个大风筝；他 命人点燃火箭，企图借助火箭推力和风筝，使自己飞向空中。然而很遗憾，万户的实验并没有 成功，并且被炸得粉身碎骨，但是他是人类历史上第一个想借助火箭动力上天的人。值得一提 的是，1970 年，国际天文联合会将月球背面一座环形山命名为“Wan Hoo（万户）”，以纪念 这位伟大的载人航天先驱。 飞车真的存在吗？ 奇肱（gōng）飞车是中国传说中的一种飞行器。古时的奇肱国，又名夜郎国，地理位置大 概在今天我国的四川、贵州一带。《山海经 • 海外西经》记载：“其人善为机巧，以取百禽。 能作飞车，从风远行。”说的就是奇肱人制造飞车，用来猎杀鸟禽的事。奇肱人的飞车在晋朝的《博 物志 • 外国》中也有记载：“奇肱民善为拭扛，以杀百禽。能为飞车，从风远行。”至于奇肱 飞车的构造和动力，至今仍无从考证。 明朝崇祯年间，江苏吴县有个技术精湛的木匠，名叫徐正明。一次偶然的机会，他听到了《山 海经》中奇肱人造飞车的故事，随即萌生了制造飞车的念头。于是他将自己关在屋内，废寝忘食， 时而苦思设计图纸，时而试着制造部件。历经无数次失败，五年后，徐正明终于打造出一个飞 车的成品。试飞当天，这架像椅子又像箱子的古怪飞车引来了人们的围观。只见徐正明大踏步 跨上飞车，坐定后脚踩踏板，带动齿轮快速飞旋，飞车居然腾空而起，在空中盘旋起来。 ◎万户飞天 17 东晋道教学者葛洪在《抱朴子》中记载了 一种名叫飞车的机械。书上写道：“或用枣心 木为飞车 , 以牛革结环剑以引其机 , 或存念作 五蛇六龙三牛交罡而乘之 , 上升四十里，名为 太清。”有科学家认为，葛洪的飞车极有可能 是带动力的载人大型竹蜻蜓——一个薄片做旋 翼，中间是轴承，下面是用来蓄力的拉弓牛皮绳，皮绳一拉，旋翼就通过扭力升空。 虽然以上飞行器的外形和功能有很多后人推测的成分，但是不可否认，充满智慧的中国古 人利用自己的想象力和还不算发达的科学技术，取得了许多令后人为之惊叹的成就。科学技术 在进步，人类智慧在增长，载人航天飞行器已然实现，相信在未来，飞车能变成我们的日常公 共交通工具，飞向宇宙深处的飞船也能变为现实。 *本文由航天神舟飞行器有限公司供稿。 ◎中国古代文献上记载的飞车 18 ——奇妙的“乒乓球”赛 太空科学课（二十四） 在微重力环境下，与火焰的形状类似，水也会聚集成球形。这一点我们在之前的数次天宫 课堂中都见识过，不过这一次，航天员们又为我们展示了更为有趣的太空“乒乓球”实验。 朱杨柱先是用水囊挤出一个水球，桂海潮用普通的乒乓球拍靠近它，结果水球不但没有被 推走，反而好像沾在球拍上一样，随着球拍移动。随后，朱杨柱又换了一个被干毛巾包裹起来 的乒乓球拍，这一次当球拍轻轻拍击水球之后，水球居然就被球拍推走了！朱杨柱和桂海潮在 空间站里打起了太空“乒乓球”！ 可是，为什么普通的乒乓球拍会吸住水球，包裹了干毛巾的球拍反而可以将水球击出呢？ 这就和材料的疏水性这个知识点有关啦。之前我们讲过水的表面张力和附着力，水球会附着在 光滑的乒乓球拍上，而当我们用干毛巾包裹球拍之后，水球遇到的则是充满了绒毛的毛巾表面。 这样的表面有什么神奇之处呢？原来，毛巾表面布满的疏水微绒毛也和水形成了“微纳结构”。 文 / 太空熊猫君　图 / 无聊的冰块 19 航天播报站 这种结构具有很好的疏水性，能让水在其 表面形成球状水珠。 类似的现象在我们的生活中也很常 见，例如荷叶上的水珠。与其他容易被水 浸润的物体不同，当水流到荷叶上之后， 就仿佛与荷叶之间隔着一层薄膜，并不能 将荷叶浸润。如果你将荷叶上的水珠倒掉， 荷叶依然是十分干爽的。像荷叶表面这种 无法被水润湿的现象，我们就称之为材料 的疏水性。 为什么会出现这样的现象呢？荷叶看 似平整光滑，在显微镜下却呈现出另一番 景象：它的表面布满了密密麻麻的凸出来 的结构。这些凸起都很小，只有微米甚至 是纳米级别，它们之间充斥着空气，一旦 有水停留在上面，就会在水与荷叶表面之 间形成一个非常薄的空气膜。再加上荷叶 分泌的蜡质物质本身也具有疏水性，这样 就使得荷叶无法被水珠润湿啦。 我们平时洗脸、擦汗用的毛巾，表面 也布满了微小的绒毛，这些绒毛使得水球 与毛巾之间形成了空气膜，具有很好的疏 水性，所以水珠不但不会被毛巾吸收，反 而会被毛巾推开。由于材料的这种疏水性，具备防水、防冰、防雾、自清洁的特性， 因此从日常生活到航空航天业，在众多领域都可以看到疏水材料的应用。 你是不是想问，既然干毛巾具有疏水性，那为什么我们还可以用它来洗脸、 擦汗，它怎样吸收水分呢？想一想你是如何使用毛巾的。肯定是需要将它轻轻按 压在水中。在这个过程中，毛巾表面的绒毛被挤压，空气膜不存在了，毛巾的疏 水性大大减弱，水就会被毛巾内部的纤维空隙吸收进去啦！ ◎荷叶的疏水效果 20 科学实验室 太空中的神奇运动——打乒乓水球 文 / 张　萱　郜赛楠　高　丽 在天宫课堂第四课中，有一个神奇的实验：航天员们利用裹上干毛巾的乒乓球拍击打水球， 完成了一场乒乓球“比赛”。在这一过程中，水球为什么能代替乒乓球呢？为什么在地面上无 法开展这项打乒乓水球的运动呢？接下来就让我们一起做对比实验探索一下吧！ 1 1 2 2 在玻璃片上洒几滴水，观察静止在玻 璃片上的水的形状。 在玻璃片上洒几滴水，观察水滴形状。 缓慢倾斜玻璃片，观察产生的现象。 在玻璃片上喷几滴泡泡水溶液，观 察静止在玻璃片上的泡泡水溶液的形状。 在荷叶上洒几滴水，观察水滴在荷叶上呈 现出来的形状。缓慢倾斜荷叶，观察产生的现象。 水、玻璃片、荷叶 水、泡泡水溶液、玻璃片 实验一：不同液体的表面张力的大小 实验二：不同材质表 面的亲水和疏水 21 浸润与不浸润/ 亲水与疏水 在描述液体与 固体之间的关 系时，我们通 常会使用浸 润性这一概念。 具体而言，当某 种液体能够润湿 某种固体并 附着在其表面时 ，这种现象就称 为浸润，这种固 体称为亲水。 相反，当某种液 体无法润湿某种 固体，也不会附 着在其表面 时，这种现象则 称为不浸润，这 种固体称为疏水 。 概念 一点通 能成功完成奇妙“乒 乓球”实验的关键因素是 什么？是否可以用其他液 体来代替水？在回答所有 问题前，我们先来学习一 些概念。 原理 揭秘 通过实验一我们看到，不同溶液在玻璃 片上呈现的形状与角度不同——水在玻璃片 上呈现为球状水珠，液体边缘切线方向与玻 璃片的夹角较大；泡泡水溶液在玻璃片上呈 现为一层摊开的水膜，液体边缘与玻璃片的 夹角很小。水的表面张力大于泡泡水溶液， 所以水的收缩性更强，在同一个界面上呈现 了更好的球形状态。这也告诉我们在天宫课 堂的“乒乓球”实验中，用其他液体来代替 水是不一定成功的，因为不同液体的表面张 力大小不一样，所以液体呈现出的形态就会 不同。 通过实验二我们看到，水在玻璃片上呈 现为扁平球状水珠，缓慢倾斜玻璃片，水珠 在玻璃片上滚动后留下了水痕；荷叶上的水 滴呈球形，随着荷叶的倾斜，水珠滚动后没 留下水痕。玻璃片并不具有明显的浸润或不 浸润特性，水珠在表面张力的作用下形成不 明显的扁平球状 ，并在重力的作用下下滑。 荷叶表面具有微米和纳米级的凸起，具有不 浸润也就是疏水特性，水滴在荷叶表面形成 明显的球形，并且能四处滚动。 在本次太空授课中，航天员利用乒乓球 拍直接击打水球时，水球沾到球拍表面，但 当航天员将干毛巾覆盖在乒乓球拍上再击打 水球时，水球能够完整地弹开。出现这种神 奇的效果，既与物体本身的特点有关，也与 太空的特殊环境有关。 一方面，太空是微重力环境，水的表面 张力可以使水形成球状的形态，外表也不易 破裂。另一方面，航天员使用粗糙的干毛巾 裹住乒乓球拍，是因为粗糙的表面具有更好 的疏水性，能够有效防止水球的粘连。 太空的微重力环境使得水球能在空中飘 浮运动。虽然在地球上我们无法完成打乒乓 水球的运动，但是就像做实验一和实验二一 样，我们完全可以利用生活中的物品来探索 液体的表面张力与亲水疏水的现象。 22 1. 不仅仅是荷叶，很多植物叶片都具有疏水性。例如宋代诗人苏轼在《木兰花令 • 次欧 公西湖韵》中写“草头秋露流珠滑。三五盈盈还二八”，其中就描述了草叶上圆润的露珠滴落。 叶片的疏水特性使得水滴更容易从叶片上滚落而不聚集，水滴快速滚落的过程中也会带走叶片 表面的尘土和杂物，实现植物的自清洁。 2. 很多动物也会利用液体的表面张力来行走与飞行。例如蚊子和水黾（mǐn）等利用液体 的表面张力作用，可以在水面上行走；蜜蜂的体表有微小的毛发，这些毛发可以吸附花蜜，并 且在蜜蜂飞行时产生液体表面张力，使得蜜蜂能够将花蜜顺利地运输回蜂巢。 3. 水表面张力较大，水分子之间过度黏合在一起，不易形成泡泡。通过降低液体的表面张力， 可以制作泡泡水吹出稳定的泡泡——用肥皂制作泡泡水，肥皂“打破”了水的表面张力，把表 面张力降低到原状况下的 1/3，使得泡泡更易形成。 4. 寒冷的冬季，水蒸气遇到较冷的眼镜片容易凝结起雾。大家可以在眼镜片上涂抹亲水制 剂，表面的小水滴就会变成平整的水膜，光线不会在多个小水滴表面反射和折射来影响视线。 知识拓展 轻松 答题 寒冷的冬季，戴眼镜的同学从室外进入温暖的室内时，眼镜片上会出现雾气，使人 看不清晰。在眼镜片上涂抹肥皂水后，这种现象会明显减轻。关于这种现象，以下哪种 说法是错误的？（ ） A. 眼镜片表面产生雾气的原因是空气中的水蒸气遇冷液化而成。B. 水蒸气在眼镜片表面液化后形成了一个个小水滴，光线在小水滴弯曲的表面反射 和折射，使人看不清晰。 C. 肥皂水可以增强眼镜片表面的疏水特性，使得水蒸气形成的小水滴不停留在眼镜 片表面，而是快速滑下。 D. 肥皂水可以增强眼镜片表面的亲水特性，使得眼镜片表面形成一层水膜，平整的 水膜表面不干扰视线。 23 共享互联 （下） 文 / 曾翔龙 图 / 淘　仔 行云工程还有 哪些应用啊？ 行云工程的应用可多啦！ 例如在珍稀动物保护和研究 中，天基物联网能在不打扰 它们的情况下，将监测数据 传到研究所。 在地质灾害发生 后，地面基站损毁， 地面网络覆盖不足 的情况下，天基物 联网能提供有效补 充，为灾情研究及 救援提供帮助。 在未来的城市 中使用无人机， 有些地方地面信 号覆盖不到，天 基物联网可以补 足，人们可以真 正享受无人机送 快递上门。 你们讲的都 是未来吧？能 讲讲已经应用 在“一带一路” 上的项目吗？ 2015 年，习近平主席在中非 合作论坛约翰内斯堡峰会上提 出了“万村通”项目，即在非 洲 25 个国家的一万多个村落 里，实现卫星电视收看并建立 可持续发展体系。在“一带一 路”的合作倡议下，远在万里 之外的非洲村民都可以观看中 国影视内容呢！24 “万村通” 开阔了非洲朋 友的视野啊。 我之前看过新闻， 说我国在乌干达的农 村安装了很多数字电 视设备，不少设备都 是援助的。 目前，已经有 9 个国家 完成了项目启动仪式，几 内亚和塞内加尔已经完成 了项目，2000 多个村子已 经安装完毕。 我国与很多国家共享了科 技发展成果，看完球赛咱去 老挝转转吧，我知道那里也 开展了通信航天合作。 赞比亚 乌干达 能在这里看 世界杯足球赛 可太棒了！ 东盟是东南亚国家联盟。 提问：东盟都包括哪些国家？ 你俩比赛看谁能答对。 老挝一号是我 国向东盟出口的 第一颗广播通信 卫星，于 2016 年 开始商业运营。 25 你俩的 答案合一 起才是正 确答案。 让我看看。 这颗卫星 能覆盖整个 东盟地区， 圆了老挝人 民长久以来 的卫星梦。 老挝一号主要提 供电视直播、无线 宽带接入和国际通 信服务，能够完成 130 套节目的卫星 电视直播。老挝人 民还可以看中国国 际频道的节目呢 ! 此外，在“一带一路” 的合作倡议下，我国的 地面数字电视标准在老 挝、柬埔寨落地。云南广 播电视台正面向尼泊尔、 孟加拉国、斯里兰卡等 国广泛开展“中国地面数 字电视标准”的合作。 通过数字电视 的技术合作，可 以增进国家之间 的文化交流，也 有利于我国的产 业升级——由中 国制造向中国创 造转型。 近年来，我国在通 信卫星领域取得长足 发展，数十颗通信卫 星先后升空，能覆盖 全球 60% 的陆地，惠 及全球 80% 的人口。 26 你们觉不觉得，中 国的通信卫星就像镶 嵌在赤道上空的一条 “太空丝路”，不仅 将“星光”洒落国内， 还为“一带一路”及 周边地区提供了全方 位的卫星通信服务。 除在轨交付卫 星外，中国航天 还为用户培训卫 星人才。 中国国家航天局正在建设一 个空间科学交流平台，使学生 能够探索新的教育交流模式， 丰富知识。 国家航天局还 在埃及、埃塞俄 比亚等国举办在 线培训。尼日利 亚的年轻人也可 以从与中国的交 流项目中受益。 是我们给他 们上课吗？ 不完全是。 “一带一路” 倡议深入人心， 得到国际社会的 广泛理解、认同、 支持和参与，我 们的朋友圈越来 越大。 “神舟”飞天、“天问”登火、“羲和”探日、“天 宫”览胜，中国航天事业飞速发展，我们结交了“一 带一路”上的很多朋友，加强中国国际影响力的同时， 也为世界人民带去来自东方的礼物。 航天通信直 接影响“一带 一路”国家人 民的生活，使 他们可以便捷 沟通，与我们 一同幸福地共 享这个万物互 联的时代！ *本文使用地图审图号为GS（2016）2954号。 27 诗词中的天文学 ——繁华的天上街市 雪峰道院（节选） ﹝宋﹞程公许 （yù）云昼护耀魄宝， 玉绳夜低天市垣。 宋朝诗人程公许写的这句诗看似简单， 但其中包含了很多天上的星星，你看出了多 少呢？ “耀魄宝”指的是紫微垣中一颗名为天 皇大帝的星，这颗星虽然不是很明亮，但距 离北极星非常近。古人认为天皇大帝主宰着 万物生灵，耀魄宝正是他的神名。“矞云昼 护耀魄宝”这句是说三色彩云在白天围绕着天 皇大帝星。 “玉绳”可不是玉做的绳子，它在古诗中 通常指群星。“天市垣”是和紫微垣、太微垣 一样的一片星区。这句诗写的是雪峰高耸，天 上的星空也显得变低了。 天市垣位于紫微垣和东方苍龙七宿之间， 这片星区包含了 19 个星官共 87 颗星。在我国 “三垣四象二十八宿”的星座体系中，三垣的 历史虽然比二十八宿出现得晚一些，但地位却 非常重要。三垣中，太微垣又称为上垣，代表 天上的朝廷；紫微垣又称为中垣，代表天上的 皇宫；天市垣又称为下垣，代表天上的街市， 是一个繁华热闹的贸易场所。 寻找天市垣 文 / 宋媛媛　图 / 肖猷洪 如果你想观测天市垣，最好选在夏季的夜 晚。天市垣内没有特别亮的星，但可以利用 周围的亮星来确定天市垣的位置。你先找到 明亮的牛郎星和织女星，即河鼓二和织女一， 再向南方的低空寻找火红的“大火”心宿二， 再向西找到明亮的大角星。这四颗星都非常 28 夜访观星台