失重到底是什么?

 

　　當(dāng)我還是一名大學(xué)生的時(shí)候，學(xué)習(xí)真實(shí)的物理內(nèi)容之前，我都要閱讀一本正兒八經(jīng)教科書(shū)里的相關(guān)材料。然后，教授會(huì)就講授專題，也許會(huì)講解一些例子來(lái)加以輔助。最后，我們會(huì)去物理實(shí)驗(yàn)室和儀器打成一片，更深地探索這些物理概念。這個(gè)學(xué)習(xí)方法本身固然無(wú)可厚非，但難道就沒(méi)有更好的方法了嗎?如果我們倒過(guò)來(lái)，從實(shí)驗(yàn)而非閱讀開(kāi)始我們的物理學(xué)習(xí)，又會(huì)如何?我們現(xiàn)在就以這樣的方式開(kāi)始吧。如果你用身邊智能手機(jī)上的應(yīng)用程序Google search開(kāi)始的話，這個(gè)實(shí)驗(yàn)做起來(lái)是最有趣的。打開(kāi)這個(gè)程序，在里面搜索框里輸入：為什么宇航員在太空里面會(huì)處于漂浮狀態(tài)的?輸入完畢后開(kāi)始搜索，我的手機(jī)上會(huì)得到這樣的一個(gè)官方答案，也許你和我得到的搜索結(jié)果雷同：

 

　　點(diǎn)擊這個(gè)鏈接，你會(huì)直接看到我寫(xiě)的博客。沒(méi)錯(cuò)，是我就這個(gè)問(wèn)題寫(xiě)了一番完全錯(cuò)誤的解釋。先別急，我這樣是有目的的。解釋失重問(wèn)題時(shí)，很多人用的就是這個(gè)google引擎通過(guò)了的說(shuō)法，可以說(shuō)這是一個(gè)解釋失重問(wèn)題頗為流行的答案版本。而我就以這樣一個(gè)錯(cuò)誤的答案來(lái)開(kāi)始對(duì)“失重”問(wèn)題的探討。上述這個(gè)google引擎給出的答案是站不住腳的，除此之外，我還有另外一個(gè)一樣廣泛為人所接受但也一樣錯(cuò)誤的答案“宇航員在太空里面失重，是因太空里面沒(méi)有空氣”。

 

　　這兩個(gè)為大眾普遍接受的關(guān)于引力問(wèn)題的概念到底哪里有問(wèn)題?我們就從真空開(kāi)始談起吧。月球就是一個(gè)存在引力但處于真空狀態(tài)的絕佳例子?？匆幌掳⒉_登月的錄像你就會(huì)明白了。如果還不明白，需要稍微給點(diǎn)提示，那么你搜索一下約翰·楊有名的“跳躍式致敬”即可。月球上根本沒(méi)有空氣，但宇航員卻不因真空而漂浮移動(dòng)。月球自身的引力仍然能給宇航員以一個(gè)向下的拉力而不至于任其到處漂浮。但考慮到月球本身質(zhì)量較小，引力也相對(duì)較小，所以總讓人誤以為宇航員在月球上是漂浮著的，這直接導(dǎo)致我們認(rèn)為“宇航員在太空里面失重是因?yàn)樘绽锩鏇](méi)有空氣”。

 

　　也許，宇航員在太空里漂浮不定，是因?yàn)樗麄冸x開(kāi)地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，地心引力在大小上不足以對(duì)宇航員產(chǎn)生顯著的作用。為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們來(lái)了解一下引力。引力的經(jīng)典模型是由牛頓提出的，它表明引力是存在于兩個(gè)有質(zhì)量的物體間相互吸引的一種作用力。這種力和兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，和物體間距離的平方成反比，寫(xiě)成公式是這樣的：

 

　　

 

 

 

　　萬(wàn)有引力常數(shù)G是適合于任意兩個(gè)物體之間的普適常量，其值為6.67×10-11N·m2/kg2。那么那個(gè)著名的g=9.8N/kg(經(jīng)常記作9.8m/s2)又是怎么回事?后者是單位質(zhì)量地心引力的值，其適用范圍僅限于地球表面，并不是一個(gè)“普適”的計(jì)算重力的值。

 

　　假如地面上有個(gè)物體與地球發(fā)生相互作用，地球的質(zhì)量為：5.97×1024kg，地心到地表的距離為6.38×106m(即地球半徑)。把這些量代入上述公式，讀者自己也可以算一下。得出結(jié)果了嗎?計(jì)算結(jié)果6.67×10-11×5.97×1024÷(6.38×106)2正是單位kg質(zhì)量上引力大小為9.8N。

 

　　那么，萬(wàn)有引力公式不是說(shuō)距離地球越遠(yuǎn)地心引力越弱嗎?沒(méi)錯(cuò)，但事實(shí)上并不如你想象的那樣會(huì)減少那么多。普通繞地球做勻速圓周運(yùn)行的航天飛船距離地球約360km。假如一名航天員的體重為75kg，他在地球表面和在環(huán)繞地球的軌道上分別受到的重力(或引力)分別為多少?兩個(gè)答案在數(shù)值上的唯一差距，在于宇航員與地心之間距離不同造成的差異

 

　　如果加以確切比較，他受到的重力在地球表面為734N，在軌道上運(yùn)行的時(shí)候?yàn)?57N。引力作用在軌道運(yùn)行時(shí)變小了嗎?變小是沒(méi)錯(cuò)，但小到可以稱之為“失重”嗎?顯而易見(jiàn)不是，軌道上的引力居然也達(dá)到了地面上引力值的89%。所以，“距離變大、引力變小導(dǎo)致宇航員失重”這一說(shuō)法是沒(méi)有根據(jù)的，不能正確解釋這種所謂的“失重”現(xiàn)象。

 

　　請(qǐng)你想一下我們平時(shí)是如何感受重力的。我可以直接告訴你，你現(xiàn)在感受到的并不是完整意義上的重力(假設(shè)你現(xiàn)在處于地球表面)。這里以兩個(gè)電梯情景為例，進(jìn)一步說(shuō)明人在不同情景下對(duì)重力的感知。

 

　　例1:在電梯里面站立，不要去按鍵，讓電梯處于靜止?fàn)顟B(tài)。你會(huì)有什么感受?尷尬別扭嗎?請(qǐng)看以下圖示：

 

　　

 

 

 

　　因?yàn)槟阍陟o止?fàn)顟B(tài)下并且保持了這個(gè)狀態(tài)，所以你處于平衡狀態(tài)，加速度為0，則合外力也為0(技術(shù)上，矢量為0)。做受力分析，豎直方向上一共存在兩個(gè)力：一個(gè)是作用在人身上的電梯地板向上的支持力，另一個(gè)是地球施加給人向下的引力，兩個(gè)力大小一致、方向相反，結(jié)果互相抵消，合外力為0。

 

　　例2:現(xiàn)在按下電梯的“向上”按鈕。在電梯加速向上運(yùn)動(dòng)的短暫瞬間，你感覺(jué)如何?焦慮?也許你會(huì)感到身體變得比原來(lái)更重了一點(diǎn)。如果你坐的電梯也和我家那部令人討厭的電梯一樣運(yùn)行緩慢，也許你還會(huì)感到不舒服。那么到底有趣特別的地方在哪里?以下是你在電梯里面向上加速的圖示：

 

　　

 

 

 

　　就力而言，它和例1的區(qū)別在哪里?如果人加速向上，那么合外力方向也一定向上。用上述圖示中的兩種力，合外力可以分別用兩種方式表述：地板對(duì)你的支持力更大，或者地球?qū)δ阆蛳碌囊Ω　Ｓ捎诘匦囊Φ拇笮∪Q于你的質(zhì)量、地球的質(zhì)量、人和地球的距離。地心引力在大小上沒(méi)有發(fā)生變化。這意味著地板一定對(duì)你施加了比例1里更大的且方向向上的作用力，你因此感到體重變大，有趣的是，雖然如此但地心引力的大小仍沒(méi)有發(fā)生變化。

 

　　例3:現(xiàn)在你已經(jīng)乘電梯到達(dá)頂樓，電梯必須停下。由于電梯正在向上運(yùn)動(dòng)，但必須減速，因此加速度方向必須向下。

 

　　

 

 

 

　　合外力方向此時(shí)向下。地心引力的大小還是沒(méi)有變化，唯一變化的是地板的支撐力減小，讓你感到體重更輕了。

 

　　例4:假設(shè)電梯纜繩斷裂，電梯加速下墜。在這種情況下，電梯的加速度必然是9.8m/s2(和任何自由落體的物體一樣)。這樣，地板要施加在人身上多少大小的力才能保證加速度為9.8m/s2?這時(shí)地板根本無(wú)需對(duì)你進(jìn)行任何支撐。你感受如何?你一定會(huì)感到十分恐懼，畢竟你現(xiàn)在坐的電梯纜繩已經(jīng)斷裂。你還會(huì)有什么樣的感受?如果你還沒(méi)來(lái)得及吃早餐的話，恐懼之外你也會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)兒餓。哦，還有你會(huì)感受到失重。這種情況真的能發(fā)生嗎?絕對(duì)可能!事實(shí)上，有人會(huì)花錢(qián)來(lái)做這樣的事情。在游樂(lè)場(chǎng)，有多少人故意坐“摔下去”的車，比如“恐怖之塔”這樣的過(guò)山車。

 

　　我們來(lái)總結(jié)下目前得出的結(jié)論：

 

　　●所有這些情況里面，引力大小始終不變;

 

　　●對(duì)于不同的情況，加速度大小不同;

 

　　●地板對(duì)你的支持力越小，你感到體重越輕

 

　　●如果地板對(duì)你的支持力為0，你感到失重;

 

　　我們暫且把電梯的情景擱置一邊，轉(zhuǎn)而來(lái)看看本文探討的最后一個(gè)關(guān)于地球上失重的例子：嘔吐彗星機(jī)。沒(méi)錯(cuò)，確實(shí)存在這樣的儀器。嘔吐彗星機(jī)的原理是一架向下加速飛行的的飛行器，跟下墜失控的電梯一樣。但是，嘔吐彗星并不像電梯那樣直接墜落到地面上。為了防止墜機(jī)，飛行器在完成失重之后會(huì)立即提升飛行高度再交替失重操作，反復(fù)進(jìn)行。這些操作的效果讓不少受試者會(huì)感到到運(yùn)動(dòng)眩暈，故而此飛行器得名“嘔吐彗星”。

 

　　在電影《阿波羅13號(hào)》中，失重的情況正是在嘔吐彗星機(jī)里拍攝的。那些失重鏡頭不只是電影拍攝效果而是真實(shí)的失重狀態(tài)。當(dāng)然，根據(jù)嘔吐彗星機(jī)的設(shè)計(jì)原理，每次拍攝只能維持30秒左右。

 

　　回到我們對(duì)太空的探討。我們知道宇航員乘坐著航天飛機(jī)繞地球運(yùn)行。但是它加速了嗎?沒(méi)錯(cuò)，它處于加速狀態(tài)中。航天飛機(jī)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的向心力正是由地球通過(guò)萬(wàn)有引力提供的。雖然它做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，但是它仍然在加速。你也可以說(shuō)航天飛機(jī)確實(shí)在下墜因?yàn)樗倪\(yùn)行是由指向地球球心的引力決定的，是引力將它向地球拉。然而，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)不一定會(huì)使得它更靠近地球，所以更加切合實(shí)際的說(shuō)法是說(shuō)它“繞軌道”運(yùn)行。

 

　　你也可以這樣考察這個(gè)問(wèn)題：讓一根繩子的一端系著一桶水，你掄起繩子以垂直圓周的方式讓水桶做圓周運(yùn)動(dòng)，你得用多大的力氣才足以使得水不灑落?讓我們來(lái)分析一下。水桶在最高點(diǎn)位置上水非但不會(huì)灑落，圓周運(yùn)動(dòng)指向繩端的加速度還使得水向水桶底部擠壓，獲得一個(gè)來(lái)自于桶底部方向向內(nèi)的壓力?，F(xiàn)在，想象一下如果你的自身引力足夠大，以至于將水吸引出來(lái)，會(huì)是怎么的畫(huà)面呢——這便是宇航員在太空里的情況。宇航員正如同桶里的水，圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，并沒(méi)有一個(gè)桶底部施加了一個(gè)指向地球的力，而是地球?qū)τ詈絾T的引力承擔(dān)了這個(gè)向心力。

 

　　如果你真的處于一個(gè)萬(wàn)有引力為零的地方(譬如說(shuō)一個(gè)遠(yuǎn)離其他大質(zhì)量物體的地方)情況又會(huì)如何?在這種情形下，你能讓自己如同大多數(shù)科幻電影片里展示的那樣還保持一定的體重不飄浮不定嗎?答案是：可以!在例2里，電梯加速向上就可以產(chǎn)生這樣的效果。假設(shè)在沒(méi)有地心引力的條件下，你身在一部向上加速運(yùn)動(dòng)著的電梯里面，你就會(huì)感到加速度的存在。此時(shí)電梯地板的支持力增加，即使沒(méi)有引力你也不會(huì)感到失重。這種情況實(shí)質(zhì)上和軌道上航天飛機(jī)運(yùn)行的那個(gè)例子恰恰相反。如果你能讓航天飛機(jī)以大小為9.8m/s2的加速度上行，即使離開(kāi)地球的引力，你的感受在效果上和在地球表面依舊完全等同。

 

　　運(yùn)載著火箭的航天飛機(jī)不斷加速，這時(shí)在航天飛機(jī)上人的感受和地心引力的效果是相似的，這段時(shí)間里航天員一直會(huì)感受到重力，但也許宇航員只想繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)即可而不希望一直加速到另外一顆行星之上。在繞地球運(yùn)行的航天飛機(jī)上，由于有向心加速度的緣故，宇航員處于失重的狀態(tài)。那么宇航員在航天器里有沒(méi)有其他方式可以獲得加速度并顯著產(chǎn)生重量嗎?要做到這點(diǎn)，你可以制造一架會(huì)自轉(zhuǎn)的航天飛機(jī)。由于航天飛機(jī)時(shí)刻處于自轉(zhuǎn)(非繞地球轉(zhuǎn))，其圓周運(yùn)動(dòng)也需要向心加速度，人就在航天器的內(nèi)表面上獲得一個(gè)方向指向自轉(zhuǎn)圓心的合外力。拿現(xiàn)實(shí)中自轉(zhuǎn)的水桶實(shí)驗(yàn)做類比，假設(shè)在沒(méi)有地心引力的條件下(效果等同于航天飛機(jī)繞地運(yùn)行失重的情況)，水桶里的水仍停留在桶中不會(huì)移動(dòng)。人這時(shí)如果在這樣一只自轉(zhuǎn)著的水桶里，一樣也會(huì)感到重力的存在。同理，宇航員在這樣自轉(zhuǎn)的飛船里一樣能感受到重力——地板對(duì)他的壓力和他站在電梯里面得到的重力感受完全一樣。對(duì)兩種情況的感受在本質(zhì)上是毫無(wú)區(qū)別的，但又不是絕對(duì)相同，因?yàn)檫@時(shí)候宇航員由于腳貼在宇航器的內(nèi)面做自轉(zhuǎn)，頭部旋轉(zhuǎn)頭盔的運(yùn)動(dòng)軌跡和腳部的運(yùn)動(dòng)軌跡就完全不一致了。

 

　　事實(shí)上，如果你能回憶得起《2001太空漫游》這部電影，如果你觀察細(xì)致，里面有一幕正是我文章上一段里提到的：電影里的兩個(gè)人物正是在一個(gè)自轉(zhuǎn)著的航天飛機(jī)里面走動(dòng)的。

 

　　總結(jié)一下：在太空里面有引力嗎?答案是有的，除非你距離任何行星般大小的物體足夠遙遠(yuǎn)。航天員之所以看上去失重，是因?yàn)樗麄兒秃教祜w機(jī)在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其所需的向心力正好由地心引力提供。要想在宇宙飛船里制造出和地球表面一樣的重力效果，需要借助外力讓它獲得額外的加速度。

 

　　來(lái)源：極客物理學(xué) : 地球上最有趣的問(wèn)題和最出人意料的答案 作者：[美] 瑞特·阿萊恩

 

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