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    从“喵星人”到太空转身
    来源:深圳市绿航星际太空科技研究院 日期:2018年11月20日  字体:【大】【中】【小】  浏览量:4321

           当我们看到航天员在太空行走的画面时,似乎都会被他们翱翔的飘逸感深深吸引,但或许我们不知道,其实航天员在太空转身也是很有学问的。事实上,当航天员处于漂浮状态下,甚至比不会游泳的人在水中更难控制自己的状态。稍稍不小心,很可能造成自旋,更难恢复到正常状态。因此,有必要研究下航天员在太空中如何转身,以及航天员如何在太空中为自己消旋(避免过度旋转)。
           出舱时携带的喷气装置能帮助航天员在太空中转身。然而航天员携带的气源是很有限的,是否有办法不通过消耗气源,实现航天员太空转身呢?答案是肯定的。
           而这个答案,与喵星人有着直接的关系。喵星人具有一种神奇的本领:当将它从高处四腿朝天地向下抛落时,它总能在下落过程中翻身,然后是四腿落地。事实上,猫在空中自主翻身的本领曾一直困扰了科学家长达一个多世纪。
           直到20世纪五六十年代,英国生理学家麦克唐纳、美国力学家凯恩等人才提出了“弯脊椎”理论的解释。该理论认为,猫在下落过程中,首先从中间展曲身体,然后依次向各个方向弯曲脊椎:先向前做不大的弯曲,然后再向右弯,最后向前弯,使猫的前半身旋转180度,这样猫的后半身就必然产生一个大小相等、方向相反的角动量与其相“对抗”,从而使猫的整个身体翻转过来。1969年,美国力学家凯恩教授利用“弯脊椎”理论的数学模型以及电脑程序,进行了计算,结果与高速摄影机拍下的过程完全吻合。


           这个隐秘的“弯脊椎”理论中,人类发现了太空“转身”的奥妙和技巧。为了训练航天员能够在太空失重的状态下随意直立、行走和转身,NASA专家们成功地设计了一套动作奇特的“太空操”,其中的许多动作,就是受猫空中翻身的启发并移植过来的。航天员在太空行走中转身一样可以通过扭动上半身和下半身,或者挥动手臂或大腿来实现。假如你站在一个可以旋转的圆盘上,就可以模拟太空行走时的转身情况。
           方案一,当你张开双臂上半身向右旋转一定角度时,下半身则会自然而然地向相反方向也旋转一个角度,当你收回双臂时,整个人也已经转过了一个角度,只是比之前下半身转过的角度小些。
           方案二,似乎更简单,当你挥动手臂在头顶上画圆时,下半身向相反方向旋转。或者直接用手臂或大腿在身体旁侧同时画圆,你的身体也能够向相反方向旋转。运用同样的原理,这两套方案当然也能轻松帮助出舱执行任务的航天员在太空实现转身。
           “弯脊椎”理论还有另一个应用价值——运动竞技。跳水、绷床和体操运动,其中的高难动作,如“旋空翻”(在绕身体横轴旋转的同时,又绕纵轴旋转),也是受猫空中翻身的启示而借鉴的。例如在舞蹈或滑冰表演中,运动员常绕自身的轴旋转。略去摩擦力,所受的重力对转轴的力矩为零,动量矩守恒。当运动员将两手合抱于胸前,旋转就加快起来;运动员将两臂伸展出去,旋转就减慢。
           当然,航天服在设计时也借鉴了卫星调整姿态的“利器”——动量轮的理念,下半身服装的腰部有一个大的带轴承的关节,为航天员弯腰和转身提供方便,这同样利用了动量矩守恒的原理。
           猫这一独特的技巧,是大自然的杰作,也给太空旅行者们提供了宝贵借鉴。


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