我国天宫空间站天和核心舱进行了第一次天宫课堂，作为第二批驻留中国空间站的神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员进行了太空实验现场直播，指令长翟志刚负责手机拍摄，王亚平主讲，叶光富配合实验。
神奇的实验：手臂画圈转身，哪来的角动量？
在众多的实验中，我最印象深刻的一个就是叶光富老师通过手臂画圈实现转身，当时看得一脸懵逼，这怎么可能？哪来的角动量？这跟拔着自己头发把自己提起来有什么区别？
当时叶老师完成转身动作后，王亚平老师解释，这跟角动量有关，但并没有具体解释怎么有关。我想了半天也没想明白是怎么转过来的……搜了一下有没有相关分析发现大家好像都忽略了这个神奇的事情，中科院物理所的实验原理科普里前面的扭动身体和后面的展开双臂旋转都介绍了，唯独没说手臂画圈转身这事……不过到晚上我终于想明白了……
太空转身——难以完成的任务
在开始尝试在失重状态下悬空转身时，叶老师企图扭过身去，但当他的上半身转向左边，他的下半身就会同时转向右边，当他的上半身转向右边，他的下半身就会同时转向左边，上下半身总是向相反方向转动，原因就是角动量守恒，这并不难理解。
用手划圈实现太空转身
这个完全在预料之内，此后叶老师又尝试了几种方式，都无法实现转身，但神奇的事情发生了，当王老师让叶老师用手画圈时，叶老师的身体开始转动了！这让我很意外，他明明悬空着，是怎么转过去的？谁给的角动量？
哪来的角动量？
其实答案很简单：画圈的右手给的角动量！
在叶老师右手画圈的过程中，会产生一个旋转的角动量，由于角动量守恒，身体就会产生一个反向的角动量，导致身体会向反方向旋转。在上面这个图中，叶老师逆时针旋转右手，身体就会顺时针旋转，整体会头朝下脚朝上翻转，正如大家在直播视频中看到的一样。
为什么会向后转？
但你会发现，按照这个角动量分析，叶老师不是应该向前翻跟斗吗？为什么又会同时向后转？原因就在于旋转轴并不在身体的质心（上图腰部白点，即重心）上，根据惯性定律，在空间站中悬空的叶老师在没有外力作用下，他身体的质心位置会保持不变，也就是说无论他怎么折腾，他身体的质心依然停留在空间中的同一个位置。因此，当旋转的手臂给身体一个反向的角动量，身体要向反方向旋转时怎么办？质心位置必须保持不变，那变的只能是身体各部分的位置了……
上图红色箭头是胳膊处得到的角动量使头部产生的转动方向，黄色小箭头是质心方向。在胳膊处因角动量产生一个头部向前旋转的力时，由于是胳膊旋转给身体的角动量，因此身体这个角动量是少了右手的质量的，这就导致身体左右的质量并不一致，上半身右边的质量更大，这样当身体在角动量作用下向前绕质心转动时，左右并不平衡，右边翻转得更慢，结果就是在转动过程中，上半身会同时向右边翻转。最终的合成的转动方向就是上半身向右前方转动。即绿色箭头方向。
于是就产生视频中这种类似于陀螺进动的效果，这进动原因就来自于上半身缺少的一只手臂的质量。
我坦白，单凭叶老师右手转动我实在分析不出他的身体具体会怎样转……也就是我无法从他胳膊处获得的角动量分析出他的体位变化……我只能配合视频才大致分析出他产生这种转动的原因(-_-)。另外我不确定这是否唯一的原因，因为我不确定左右质量平衡的情况下，胳膊位置产生的绕质心翻转的力矩会不会依然导致身体向右偏转……
为什么手臂停止画圈，身体会马上停下来？
由于角动量来自于右手画圈旋转，因此当手臂停止画圈后，身体的旋转也会瞬间停止。同时随着右手位置的变化，叶老师身体的质心在身体里的位置也随之发生变化，但质心在空间的位置是不变的，因此我们就会看到随着手臂画圈，叶老师的身体在画面中好像一跳一跳的，正如大家在视频里所看到的一样。
角动量守恒——手换方向画圈时，头开始向后仰
基于同样的原因，当叶老师手臂反过来以顺时针方向画圈，他的身体就会往逆时针方向转，也就是头往后脚往前翻转，而依然由于前述原因，叶老师身体会向后仰起。
在前面画面中，当叶老师手臂停止画圈时，他的头部在视频画面中是处在右前方，而当叶老师手臂反向画圈后他的头部最终停止在画面的右后方。
以叶老师的视觉会怎样转？
叶老师抬起右手逆时针转时，以身体质心为参照，上半身因角动量守恒会向前翻，同时在前翻时由于质心的惯性作用和上半身质量差异使上半身实际翻转方向会偏向左边。
假如叶老师一开始是以顺时针转动右手，则上半身会因角动量守恒而向后翻，与此同时由于上述原因使上半身实际翻转方向依然会偏向左边。
只有在手臂画圈产生的旋转轴穿过质心时，叶老师才能保证不翻滚而仅向一个方向旋转，也就是不产生向右的那个旋转分量，不过这样的手臂画圈姿势有点难……体操运动员可以试试……另外由于画圈时手臂质量会导致重心偏移（下图标示的两个白点分别是垂手时和抬手时的人体重心位置），建议直接拿个风扇转。(^_^)
我是星宇飘零，关(^_^)注~我，与你分享更多有趣科普知识。
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