在地球表面，因?yàn)橹亓Φ拇嬖�，我們�?qū)動(dòng)汽車、飛機(jī)、火箭，都需要巨大的推力，但是在太空中，一只螞蟻的重量就可以推動(dòng)上百噸重的飛行器，它就是微力。微力能做什么？科學(xué)家又是如何捕捉如此小的力量？中科院研究員余西龍?jiān)赟ELF講壇的舞臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)演繹微力的魔力。
余西龍
中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 研究員
以下內(nèi)容由余西龍演講精編而成：
微力究竟有多��？
微力就是非常微小的力，那么這個(gè)微小的力，到底有什么作用呢？
好多小朋友過生日時(shí)，非常溫馨的一個(gè)畫面就是吹蠟燭，吹熄蠟燭應(yīng)該是非常簡(jiǎn)單的事情，一口、兩口、三口也許就把蠟燭吹滅了。但是如果這個(gè)事情發(fā)生在太空中又會(huì)是什么樣呢？
天宮二號(hào)是我們國(guó)家的一個(gè)空間站，它運(yùn)行在離地球高度393公里的真空環(huán)境中，但是實(shí)際上由于受到真空微重力和大氣阻力的作用，它的軌道會(huì)慢慢下降，它所受到阻力大約是4.6mN，4.6mN是一個(gè)非常小的力，日常生活中很難接觸到這么小的力。
余西龍用一個(gè)形象的比喻描述了這個(gè)力，畫面上是十只螞蟻，一只螞蟻的重量大約是50毫克，十只螞蟻的重量就是天宮二號(hào)所受到的微阻力的大小，實(shí)際上這個(gè)力非常小，但是這么小的力就可以讓空間站每天降落大約70米的高度。
助推器的工作原理
那又是如何讓空間站在那么高的高度運(yùn)行呢？這張照片上黃色的部件就是一個(gè)小的推力器，它的作用就是產(chǎn)生一個(gè)力，能夠抵消所受到的阻力，讓飛船穩(wěn)穩(wěn)地站在393公里的高空，那么這種小的推力器到底是怎么起作用的呢？或者說它的工作原理又是什么呢？
目前常用的有三種小推力器，一種是所謂的冷氣推力器，它實(shí)際上非常簡(jiǎn)單，就是一個(gè)高壓氣瓶里面裝滿了高壓的氣體，當(dāng)打開一個(gè)閥門氣體排出的時(shí)候，就能產(chǎn)生推力，這個(gè)推力的作用就類似我們吹一口氣。那么另外一種就是化學(xué)推力器，它的工作原理就是利用化學(xué)物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓的氣體噴出，產(chǎn)生推力。還有一種是電推力器，這是相對(duì)比較復(fù)雜的一種推力器，它實(shí)際上是通過磁場(chǎng)加速電離的空氣來產(chǎn)生推力。
科學(xué)家如何測(cè)量微小的推力呢？
現(xiàn)場(chǎng)，研究員余西龍邀請(qǐng)了現(xiàn)場(chǎng)的觀眾上臺(tái)參與實(shí)驗(yàn)，利用測(cè)量力的推力臺(tái)架，試試吹氣的力到底有多大。
在大氣條件下，這位小朋友的吹起沖量是65mNS，換算為太空條件，這個(gè)65mNS的沖量可以讓量子衛(wèi)星跑5萬(wàn)公里。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，其實(shí)一個(gè)很小的力在太空中可以讓一個(gè)重達(dá)數(shù)百公斤的衛(wèi)星飛行很遠(yuǎn)的距離。
實(shí)際上推力臺(tái)架為我們國(guó)家衛(wèi)星的地面發(fā)動(dòng)機(jī)做了很大的貢獻(xiàn)，這個(gè)臺(tái)架在航天部門地面實(shí)驗(yàn)里面是應(yīng)用過的，它本質(zhì)上是一個(gè)高精度的天平的扭擺系統(tǒng)，它的基本原理就是通過把力轉(zhuǎn)化為位移進(jìn)行測(cè)量，它的測(cè)力范圍大約是在1-1000mN，可以做mN量級(jí)的微力測(cè)試。
這個(gè)臺(tái)架實(shí)際上是一個(gè)非常精密的力學(xué)系統(tǒng)，它本質(zhì)上能做到在重量很重的臺(tái)架上測(cè)到非常小的位移，因?yàn)檫@個(gè)臺(tái)架非常靈敏，周圍人的走動(dòng)都會(huì)影響到臺(tái)架的穩(wěn)定性。那么科學(xué)家必須為其增加一個(gè)阻尼系統(tǒng)，讓這個(gè)臺(tái)架在工作情況下要迅速停下來，以便進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。上面沒有阻尼的話，它可以在空氣中擺動(dòng)大約半個(gè)小時(shí)才能夠停下來，但是如果加了阻尼，大約就幾秒鐘就可以停下來。
微力的作用是巨大的，尤其在空間探索領(lǐng)域，它能夠讓太空飛船和空間站對(duì)接在一起，在太空中穩(wěn)穩(wěn)地運(yùn)行，同時(shí)它也能夠推動(dòng)火星探測(cè)器，或者說其他飛行器飛向別的星球，去探索未知的太空。
責(zé)編：科普知識(shí)網(wǎng)