失重概念

物體對支持物的壓力小于物體所受重力的現(xiàn)象叫失重。也就是視重小于實(shí)際重力，當(dāng)近地物體的加速度向下時(shí)，其實(shí)際視重小于實(shí)際重力我們就稱其處于失重狀態(tài) 當(dāng)物體以加速度g向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)(自由落體)我們叫它完全失重狀態(tài)。

拿起一個(gè)裝滿水的杯子，將杯口朝下，水卻不流出來;突然一松手，杯子并沒有往下掉，而是穩(wěn)穩(wěn)的停在半空中……

影片《臥虎藏龍》中大俠們“騰云駕霧，飛檐走壁”的絕技在太空飛行中可是易如反掌，你只要輕輕一點(diǎn)腳，人就會(huì)騰空而起，在空中自由的飛來飛去，本領(lǐng)之大，超過人們的想象。

以上種種的現(xiàn)象就是人們通常所說的失重，它的機(jī)理是什么呢?

原來，當(dāng)一切物體在進(jìn)行航天飛行時(shí)，它們的重量都不見了，這種現(xiàn)象稱為“失重”。首先應(yīng)該指出的是，“失重”是指物體失去重量，而不是失去重力。重量是物體對其周圍相接觸的物體或介質(zhì)所表現(xiàn)出來的作用力;重力則是地球(或其他天體)對物體的引力。重量與重力(引力)有聯(lián)系，又有區(qū)別。重量消失(等于零)，不等于重力或引力消失(等于零)。也就是可以說，失重就是零重量。

失重物體的特征：判斷物體是否失重一個(gè)最重要的標(biāo)志是，物體內(nèi)部各部分、各質(zhì)點(diǎn)之間沒有相互作用力，即沒有拉、壓、剪切等任何應(yīng)力。

完全失重現(xiàn)象 - 分析說明

太陽系內(nèi)的宇宙飛船(或人造衛(wèi)星)只受萬有引力作用而運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它的質(zhì)心相對太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系這個(gè)慣性系的加速度A不為零，等于宇宙飛船受到的萬有引力與質(zhì)量之比,即等于飛船所在處的引力場強(qiáng)度.

以宇宙飛船的質(zhì)心為原點(diǎn),坐標(biāo)軸指向某幾顆遙遠(yuǎn)的恒星,這樣建立的坐標(biāo)系稱為宇宙飛船質(zhì)心坐標(biāo)系.要在宇宙飛船質(zhì)心坐標(biāo)系中,對其中的或附近的質(zhì)量為m的物體,應(yīng)用牛頓第二定律,原則上應(yīng)該引入等于(-mA)的慣性力.由于物體受到的萬有引力(mA)跟慣性力(-mA)的矢量和正好為零.因此在宇宙飛船質(zhì)心坐標(biāo)系(坐標(biāo)軸指向遙遠(yuǎn)的恒星)中，對宇宙飛船或里面的物體或附近的物體，應(yīng)用非慣性系牛頓第二定律的時(shí)候,可以同時(shí)不考慮慣性力和萬有引力.在這個(gè)非慣性系中,物體似乎失去了萬有引力(實(shí)際上為慣性力所平衡),這種現(xiàn)象稱為完全失重.

完全失重的概念，提示人們只受萬有引力作用的物體的質(zhì)心坐標(biāo)系具有怎樣特殊的性質(zhì).

生活例子

電梯只受萬有引力作用的時(shí)候,如果試圖在電梯質(zhì)心坐標(biāo)系(最好定義它的坐標(biāo)軸指向遙遠(yuǎn)的恒星,定義它相對地面平動(dòng)尚可)中,對電梯或電梯中的物體(以及對電梯外邊附近的物體,比如電梯正下方的幾米厚的泥土),應(yīng)用牛頓第二定律,那么電梯和其中的物體似乎失去了地球和其它天體施加的萬有引力(實(shí)際上為慣性力所平衡),這種現(xiàn)象也稱為完全失重.

兩塊磚頭疊在一起,作平拋運(yùn)動(dòng)或自由下落的時(shí)候,如果試圖在磚頭質(zhì)心坐標(biāo)系中,對每塊磚頭應(yīng)用牛頓第二定律,那么磚頭似乎失去了萬有引力(實(shí)際上慣性力正好跟萬有引力平衡),這種現(xiàn)象也稱為完全失重.在磚頭質(zhì)心坐標(biāo)系中,每塊磚頭都處于靜止?fàn)顟B(tài),受力平衡或不受力;磚頭完全失重，相應(yīng)地，兩塊磚頭之間沒有壓力作用.

按照以上定義,完全失重概念適用于,只受萬有引力而運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)心坐標(biāo)系中,對質(zhì)心附近的物體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.

物理現(xiàn)象

人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)等航天器進(jìn)入軌道后，其中的人和物將處于失重狀態(tài)。航天器進(jìn)入軌道后可以近似認(rèn)為是繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的速度方向是時(shí)刻改變的，因而具有加速度，它的大小等于衛(wèi)星所在高度處的重力的大小。這跟在以重力加速度下降的升降機(jī)中發(fā)生的情況類似，航天器中的人和物都處于完全失重狀態(tài)。

能夠想像出失重的條件下會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象嗎?設(shè)想地球上一旦重力消失，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，在宇宙飛船中就會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。物體將飄在空中，液滴呈絕對球形，氣泡在液體中將污泥濁水上浮。宇航員站著睡覺和躺著睡覺一樣舒服，走路務(wù)必小心，稍有不慎，將“上不著天，下不著地”食物要做成塊狀或牙膏似的糊狀，以免食物的碎渣“漂浮”在空中，進(jìn)入宇航員的眼睛、鼻孔……你還可以繼續(xù)發(fā)揮你的想像力，舉出更多的現(xiàn)象來。

還可以再想一想，人類能夠利用失重的條件做些什么?下面舉幾個(gè)事例，將會(huì)幫助你思考。這里所舉的事例雖然還沒有完全實(shí)現(xiàn)，但科學(xué)家們正在努力探索，也許不久的將來就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

在失重的條件下，熔化了的金屬的液滴，形狀呈絕對球形，冷卻后可以成為理想的滾珠。而在地面上，用現(xiàn)代技術(shù)制成的滾珠，并不呈絕對球形，這是造成軸承磨損的重要原因之一。

玻璃纖維(一種很細(xì)的玻璃絲，直徑為幾十微米)，是現(xiàn)代光纖通信的主要部件。在地面上不可能制成很長玻璃纖維，因?yàn)闆]等到液態(tài)的玻璃絲凝固，由于重力的作用，它將被拉成小段。而在太空的軌道上，將可以制造出幾百米長的玻璃纖維。

在太空的軌道上，可以制成一種新的泡沫材料?泡沫金屬。在失重條件下，在液態(tài)的金屬中通以氣體，氣泡將不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣可以制成輕得像軟木塞似的泡沫鋼,用它做機(jī)翼,又輕又結(jié)實(shí)。

同樣的道理，在失重的條件下，混合物可以均勻地混合，由此可以制成地面上不能得到的特種使合金。

電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)等部門，對高純度材料的需要不斷增加，其純度要求為“6個(gè)9”至“8個(gè)9”，即99.9999%-99.999999%.在地面上,冶煉金屬需在容器內(nèi)進(jìn)行，總會(huì)有一些容器的微量元素?fù)饺氲奖灰睙挼慕饘僦小６谔罩?ldquo;懸浮冶煉”，是在失重條件下進(jìn)行的，不需要用容器，消除了容器對材料的污染，可以獲得純度極高的產(chǎn)品。

在電子技術(shù)中所用的晶體，在地面上生長時(shí)，由于受重力的影響，晶體的大小受到限制，而且要受到容器的污染，在失重條件下，晶體的生長是均勻的，生長出來的晶體也要大得多。在不久的將來，如能在太空建立起工廠，生產(chǎn)出砷化鎵的純晶體，它要比現(xiàn)有的硅晶體優(yōu)越得多，將會(huì)引起電子技術(shù)的重大突破。

在太空失重的條件下，會(huì)生產(chǎn)出地面上難以生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品。建立空間工廠，已經(jīng)不再是幻想。

人類在太空建造永久性建筑日益成為可能，太空工廠將列入第一批太空建筑。由于脫離了重力約束，在高度真空的特殊條件下，太空工廠將成為制造某些地球上不能制造的稀有產(chǎn)品的理想場所。由航天飛機(jī)把原料送往太空工廠，或者利用太陽系各行星中的資源，制造加工成所需的產(chǎn)品后再運(yùn)回地球。因?yàn)樘詹淮嬖诶錈釋α鳌獾⒊恋淼痊F(xiàn)象，所以太空工廠制造的藥品比在地面上制造的純度至少高5倍，制藥的速度快400倍。

微重力

完全失重是一種理想的情況，在實(shí)際的航天飛行中，航天器除受引力作用外，不時(shí)還會(huì)受到一些非引力的外力作用。例如，在地球附近有殘余大氣的阻力，太陽光的壓力，進(jìn)入有大氣的行星時(shí)也有大氣對它的作用力。根據(jù)牛頓第二定律，力對物體作用的結(jié)果，是使物體獲得加速度。航天器在引力場中飛行時(shí)，受到的非引力的力一般都很小，產(chǎn)生的加速度也很小。這種非引力加速度通常只有地面重力加速度的萬分之一或更小。為了與正常的重力對比，就把這種微加速度現(xiàn)象叫做“微重力”。其實(shí)，航天器即使只受到引力作用，它的內(nèi)部實(shí)際上也存在微重力，這是因?yàn)楹教炱鞑皇且粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)，而是具有一定尺寸的物體。

人們常用10-6-10-4g來表示航天器中微重力的水平。微重力越小，失重越完全。總之，失重狀態(tài)只是理想狀態(tài)，微重力才是實(shí)際情況。

完全失重的定量分析：

當(dāng)a=g時(shí)，支持力為N，由牛頓第二定律知：

mg-N=ma=mg

所以N=0

由牛頓第三定律可知，物體對支持物的壓力為0。

相關(guān)試驗(yàn)

找一個(gè)用過的易拉罐或塑料瓶，在靠近瓶底的一側(cè)打一個(gè)小洞，用手指按住洞，在里面裝上水，移開手指，水就從洞中射出來，顯然大氣壓強(qiáng)P0加上液體重量產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)ρgh，大于孔外側(cè)的大氣壓強(qiáng)，水就會(huì)從塑料瓶的小孔中射出，接著讓塑料瓶自由落下，在下落過程中，水就不會(huì)從小孔中流出。

教學(xué)中，在準(zhǔn)備這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，找一個(gè)空的塑料瓶，在靠近瓶口的側(cè)壁上打一個(gè)直徑為2mm的小孔，靠近瓶底部的側(cè)壁上打一個(gè)直徑為1mm的小孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先用一個(gè)透明膠粘住靠近空瓶底部的小孔，然后在瓶中裝上水，由于透明膠，水不會(huì)流出，拉開透明膠，水就從那個(gè)小孔中射出，如果在高處松開手，讓塑料瓶自由落下，水就不會(huì)從小孔中流出。

這個(gè)失重演示實(shí)驗(yàn)具有可操作性，可以自己在家完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，體會(huì)水的“完全失重現(xiàn)象”，但是，這個(gè)失重實(shí)驗(yàn)容易做成功，但是教師在課堂上演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)存在幾個(gè)問題：

1.兩米的高度讓塑料瓶自由落下，下落的時(shí)間不足1秒，由于水是無色的，所以在很短的時(shí)間，后面的同學(xué)不能確定水是否流出。

2.透明膠粘住小孔，水還是很容易滲透，教師不好操作

3.塑料瓶往下落，學(xué)生容易理解到慣性上面，以為是瓶子下落的比水快些，所以水才不會(huì)流出

(一) 改進(jìn)

將塑料瓶原來靠近瓶口的側(cè)壁上打孔改成在瓶蓋上打孔，將原來這個(gè)靠近瓶底部的側(cè)壁上打一個(gè)孔改成打20個(gè)孔。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將水裝滿，擰緊瓶蓋，用手按住頂部小孔，由于大氣壓的緣故，水不會(huì)流出，放開瓶蓋上的手指，水會(huì)從20個(gè)小孔中射出，如果在高處松開手，塑料瓶自由落下，在下落的過程中，水受的重力全部產(chǎn)生g，也就不產(chǎn)生附加壓強(qiáng)ρgh，“完全失重”的水將不會(huì)從孔中流出，開始是20個(gè)孔射出水，現(xiàn)在是滴水不漏，對比非常強(qiáng)烈，另外，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的效果，還可以在水中滴上幾滴紅墨水，這樣，無論坐在哪里的同學(xué)，失重實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象一目了然。

(二)拓展

失重實(shí)驗(yàn)還可以說明“物體發(fā)生超重還是失重，是由加速度的方向來決定的，而不是速度的方向決定”，瓶子下落時(shí)水不流出來更不是慣性的原因。

教師可以設(shè)計(jì)這樣的提問：當(dāng)把塑料瓶豎直上拋，水會(huì)不會(huì)從小孔中射出來呢?有的同學(xué)會(huì)錯(cuò)誤的回答：上升的階段有水射出，回落時(shí)無水射出。

然后讓學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)糾正錯(cuò)誤觀點(diǎn)，把裝滿水的塑料瓶高高拋起，發(fā)現(xiàn)上升和下降階段都是滴水不漏的，甚至還可以隨便讓瓶子象任一個(gè)方向拋出，現(xiàn)象都一樣。最后得出：“當(dāng)物體減速上升和加速下降時(shí)，物體都會(huì)發(fā)生失重現(xiàn)象”，和“當(dāng)物體有向下的加速度時(shí)，物體不論向哪里運(yùn)動(dòng)，都會(huì)發(fā)生失重現(xiàn)象，如果這個(gè)加速度的數(shù)值等于g，物體就會(huì)發(fā)生完全失重的現(xiàn)象。”

模擬訓(xùn)練

失重訓(xùn)練是利用失重飛機(jī)完成的。它可以完成拋物線飛行，形成15-40秒的微重力時(shí)間。使航太員感受、體驗(yàn)和熟悉失重環(huán)境，在失重的時(shí)間裏可以做各種試驗(yàn)，如吃東西、喝水、穿脫衣服、閉眼與睜眼的定向運(yùn)動(dòng)，甚至可把一個(gè)艙體搬進(jìn)機(jī)艙中，還可以進(jìn)行人在失重的時(shí)間裏從艙體爬出來的試驗(yàn)，訓(xùn)練太空的出艙活動(dòng)。

美國的小型失重飛機(jī)有T-33和F-104飛機(jī)改裝的失重飛機(jī)。大型失重飛機(jī)有KC-135和PC-9，蘇聯(lián)/俄羅斯用伊爾-76改裝的大型失重飛機(jī)，其微重力時(shí)間大約有30s秒。法國有“快帆”和A300失重飛機(jī)，A300是目前世界上最大的失重飛機(jī)。日本也有大型或中型失重飛機(jī)。中國曾利用殲教-5改裝成小型失重飛機(jī)。

在地面還可以用中性浮力水槽產(chǎn)生的漂浮感覺，模擬訓(xùn)練航天員在失重時(shí)進(jìn)行工作和維修。中性浮力水槽模擬失重的原理是，當(dāng)人體浸入水中時(shí)，通過增減配重和漂浮器使人體的重力和浮力相等，即中性浮力，獲得模擬失重的感覺和效應(yīng);但它并沒有消除重力對於人體及其組織的作用，因此，它不同於真實(shí)的失重環(huán)境。目前，這種方法主要用於對出艙活動(dòng)的航太員進(jìn)行訓(xùn)練。一般是將1：1的航太器放入水槽中，航太員穿上改制的艙外航太服，進(jìn)行出艙活動(dòng)程式的模擬和技能的訓(xùn)練。