《到太空去》失重現象

《到太空去》失重現象物體對支持物的壓力小于物體所受重力的現象叫失重。也就是視重小于實際重力，當近地物體的加速度向下時，其實際視重小于實際重力我們就稱其處于失重狀態當物體以加速度g向下加速運動時（自由落體）我們叫它完全失重狀態。拿起一個裝滿水的杯子，將杯口朝下，水卻不流出來；突然一松手，杯子并沒有往下掉，而是穩穩的停在半空中……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，你只要輕輕一點腳，人就會騰空而起，在空中自由的飛來飛去，本領之大，超過人們的想象。以上種種的現象就是人們通常所說的失重，它的機理是什么呢？原來，當一切物體在進行航天飛行時，它們的重量都不見了，這種現象稱為“失重”。首先應該指出的是，“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所表現出來的作用力；重力則是地球（或其他天體）對物體的引力。重量與重力（引力）有聯系，又有區別。重量消失（等于零），不等于重力或引力消失（等于零）。我們可以說，失重就是零重量。失重物體的特征判斷物體是否失重一個最重要的標志是，物體內部各部分、各質點之間沒有相互作用力，即沒有拉、壓、剪切等任何應力。人在失重時的狀況平衡是我們最常見的物體的一種運動狀態。但是，力的平衡與失重完全是兩回事。例如，人站在地上，坐在椅子上，躺在床上，乘坐飛機等速飛行等，都是處于力的平衡狀態，但并不失重。因為在這些情況下，人體內部各部分之間都存在相互的作用力。真正的失重模擬，應使人體各部分特別是體內器官、內臟之間互相作用力消失。在這種情況下，人的前庭器官中的耳石由于失重，不再與周圍的神經細胞接觸而向中樞神經傳輸信號，從而喪失定向功能。前庭器官與人體主管呼吸、消化、循環、排泄、發汗等功能的植物神經系統有密切關系。所以，一旦前庭器官不起作用，身體內臟之間正常的相互作用消失，就會引起航天飛行員產生頭暈、惡心、嘔吐等癥狀。關于微重力的概念完全失重是一種理想的情況，在實際的航天飛行中，航天器除受引力作用外，不時還會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，進入有大氣的行星時也有大氣對它的作用力。根據牛頓第二定律，力對物體作用的結果，是使物體獲得加速度。航天器在引力場中飛行時，受到的非引力的力一般都很小，產生的加速度也很小。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象叫做“微重力”。其實，航天器即使只受到引力作用，它的內部實際上也存在微重力，這是因為航天器不是一個質點，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，失重狀態只是理想狀態，微重力才是實際情況。完全失重的定量分析：當a＝g時，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太空里的失重在環繞地球飛行的飛船上，失重的原因是g＝向心加速度，當速度達到第一宇宙速度能夠環繞地球飛行時，發生這種失重，如果我們把地球比作環繞太陽飛行的飛船，我們也是處于相對太陽的“失重”狀態，因為地球萬物沒有受到太陽“重力”的影響。失重和宇宙開發人造地球衛星、宇宙飛船、航天飛機進入軌道后，其中的人和物將處于失重狀態。人造地球衛星、宇宙飛船、航天飛機等航天器進入軌道后，可以認為是繞地球做圓周運動，做圓周運動的物體，速度的方向是時刻改變的，因而具有加速度，它的大小等于衛星所在高度處重力加速度的大小，這跟在以重力加速度下降的升降機中發生的情況類似，航天器中的人和物都處于完全失重狀態。你能夠想象出完全失重的條件下會發生什么現象嗎？你設想地球上一旦重力消失，會發生什么現象，在宇宙飛船中就會發生什么現象。物體將飄在空中，液滴絕對呈球形，氣泡在液體中將不上浮。宇航員站著睡覺和躺著睡覺一樣舒服，走路務必小心，稍有不慎，將會“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”在空中進入宇航員的眼睛、鼻孔……你還可以繼續發揮你的想象力，舉出更多的現象來。你還可以再想一想，人類能夠利用失重的條件做些什么嗎？下面舉幾個事例，將會幫助你思考，這里所舉的事例，雖然還沒有完全實現，但科學家們正在努力探索，也許不久的將來就會實現。在失重條件下，融化了的金屬的液滴，形狀絕對呈球形，冷卻后可以成為理想的滾珠。而在地面上，用現代技術制成的滾珠，并不絕對呈球形，這是造成軸承磨損的重要原因之一。玻璃纖維（一種很細的玻璃絲，直徑為幾十微米）是現代光纖通信的主要部件。在地面上，不可能制造很長的玻璃纖維，因為沒等到液態的玻璃絲凝固，由于它受到重力，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棗泡沫金屬。在失重條件下，在液態的金屬中通以氣體，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，用它做機翼，又輕又結實。同樣的道理，在失重條件下，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合金。電子工業、化學工業、核工業等部門，對高純度材料的需要不斷增加，其純度要為“6個9”至“8個9”，即%～%。在地面上，冶煉金屬需在容器內進行，總會有一些容器的微量元素摻入到被冶煉的金屬中。而在太空中的“懸浮冶煉”，是在失重條件下進行的，不需要用容器，消除了容器對材料的污染，可獲得純度極高的產品。在電子技術中所用的晶體，在地面上生長時，由于受重力影響，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，生產出砷化鎵的純晶體，它要