失重

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概念及生活现象

失重是人们在自由下落过程中所经历的一种现象,虽然“零重力”经常用作失重的同义词,但是航空器在轨道上的失重不是重力消失或大幅度减小的结果(事实上,在100KM高度上,地球重力仅仅比地球表面减少大约3%)。失重现象主要发生在轨道上或太空内或进行抛物线飞行的飞机内或在其他一些不正常情况下的(远离星球或大重量物体)物体或人的自由下降。物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象叫失重。也就是视重小于实际重力,当近地物体的加速度向下时,其实际视重小于实际重力我们就称其处于失重状态 当物体以加速度g向下加速运动时(自由落体)我们叫它完全失重状态。

影片《卧虎藏龙》中大侠们“腾云驾雾,飞檐走壁”的绝技在太空飞行中可是易如反掌,你只要轻轻一点脚,人就会腾空而起,在空中自由的飞来飞去,本领之大,超过人们的想象。 以上种种的现象就是人们通常所说的失重。  

失重物体的特征

判断物体是否失重一个最重要的标志是,物体内部各部分、各质点之间没有相互作用力,即没有拉、压、剪切等任何应力。  

人在失重时的状况

平衡是我们最常见的物体的一种运动状态。但是,力的平衡与失重完全是两回事。例如,人站在地上,坐在椅子上,躺在床上,乘坐飞机等速飞行等,都是处于力的平衡状态,但并不失重。因为在这些情况下,人体内部各部分间都存在相互的作用力。

真正的失重模拟,应使人体各部分特别是体内器官、内脏之间互相作用力消失。在这种情况下,人的前庭器官中的耳石由于失重,不再与周围的神经细胞接触而向中枢神经传输信号,从而丧失定向功能。前庭器官与人体主管呼吸消化、循环、排泄发汗等功能的植物神经系统有密切关系。所以,一旦前庭器官不起作用,身体内脏之间正常的相互作用消失,就会引起航天飞行员产生头晕恶心呕吐症状。  

关于微重力的概念

完全失重是一种理想的情况,在实际的航天飞行中,航天器除受引力作用外,不时还会受到一些非引力的外力作用。例如,在地球附近有残余大气的阻力,太阳光的压力,进入有大气的行星时也有大气对它的作用力。根据牛顿第二定律,力对物体作用的结果,是使物体获得加速度。航天器在引力场中飞行时,受到的非引力的力一般都很小,产生的加速度也很小。这种非引力加速度通常只有地面重力加速度的万分之一或更小。为了与正常的重力对比,就把这种微加速度现象叫做“微重力”。其实,航天器即使只受到引力作用,它的内部实际上也存在微重力,这是因为航天器不是一个质点,而是具有一定尺寸的物体。

人们常用10-6-10-4g来表示航天器中微重力的水平。微重力越小,失重越完全。总之,完全失重状态只是理想状态,微重力才是实际情况。  

失重公式

由牛顿第二定律得:N+ma=mg

所以N=m(g-a)<mg

由牛顿第三定律知,物体对支持物的压力<mg

完全失重的定量分析:

当a=g时,支持力为N,由牛顿第二定律知:

mg-N=ma=mg 所以N=0

由牛顿第三定律可知,物体对支持物的压力为0

得出结论:向下加速向上减速:加速度方向向下,产生失重现象

故只要加速度方向向下就是失重,与速度方向无关。  

太空里的失重

在环绕地球飞行的飞船上,失重的原因是g=向心加速度,当速度达到第一宇宙速度能够环绕地球飞行时,发生这种失重,如果我们把地球比作环绕太阳飞行的飞船,我们也是处于相对太阳的“失重”状态,因为地球万物没有受到太阳“重力”的影响。  

失重和宇宙开发

人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机进入轨道后,其中的人和物将处于失重状态.人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器进入轨道后,可以认为是绕地球做圆周运动,做圆周运动的物体,速度的方向是时刻改变的,因而具有加速度,它的大小等于卫星所在高度处重力加速度的大小.这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似,航天器中的人和物都处于完全失重状态。

你能够想象出完全失重的条件下会发生什么现象吗?你设想地球上一旦重力消失,会发生什么现象,在宇宙飞船中就会发生什么现象.物体将飘在空中,液滴绝对呈球形,气泡在液体中将不上浮.宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服,走路务必小心,稍有不慎,将会“上不着天,下不着地”.食物要做成块状或牙膏似的糊状,以免食物的碎渣“漂浮”在空中进入宇航员的眼睛、鼻孔…….你还可以继续发挥你的想象力,举出更多的现象来.

你还可以再想一想,人类能够利用失重的条件做些什么吗?下面举几个事例,将会帮助你思考.这里所举的事例,虽然还没有完全实现,但科学家们正在努力探索,也许不久的将来就会实现.

在失重条件下,融化了的金属的液滴,形状绝对呈球形,冷却后可以成为理想的滚珠.而在地面上,用现代技术制成的滚珠,并不绝对呈球形,这是造成轴承磨损的重要原因之一.

玻璃纤维(一种很细的玻璃丝,直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件.在地面上,不可能制造很长的玻璃纤维,因为没等到液态的玻璃丝凝固,由于它受到重力,将被拉成小段.而在太空的轨道上,将可以制造出几百米长的玻璃纤维.

在太空的轨道上,可以制成一种新的泡沫材料枣泡沫金属.在失重条件下,在液态的金属中通以气体,气泡将不“上浮”,也不“下沉”,均匀地分布在液态金属中,凝固后就成为泡沫金属,这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼,又轻又结实.

同样的道理,在失重条件下,混合物可以均匀地混合,由此可以制成地面上不能得到的特种合金.

电子工业、化学工业、核工业等部门,对高纯度材料的需要不断增加,其纯度要求为“6个”至“8个”,即99.9999%~99.999999%.在地面上,冶炼金属需在容器内进行,总会有一些容器的微量元素掺入到被冶炼的金属中.而在太空中的“悬浮冶炼”,是在失重条件下进行的,不需要用容器,消除了容器对材料的污染,可获得纯度极高的产品.

 在电子技术中所用的晶体,在地面上生长时,由于受重力影响,晶体的大小受到限制,而且要受到容器的污染,在失重条件下,晶体的生长是均匀的,生长出来的晶体也要大得多.在不久的将来,如能在太空建立起工厂,生产出砷化镓的纯晶体,它要比现有的硅晶体优越得多,将会引起电子技术的重大突破.

失重环境下哺乳动物不能正常繁衍后代

日本理化学研究所和广岛大学共同成立的研究小组在2009年8月25日出版的美国《公共科学图书馆.综合》(PLoS ONE)杂志上发表的一项研究成果指出:在国际空间站、航天飞机等接近失重的环境中,老鼠受精卵的发育会受到抑制,产仔率也大幅下降。

这一结果表明同为哺乳动物的人类可能也很难在太空繁衍后代。理化学研究所发生和再生科学综合研究中心(神户市)的研究小组组长若山照彦表示“通过调查受精卵发育需要多少重力,或许可以知道是否有可能在月面基地培育后代。”

研究人员使用特殊装置通过让实验容器旋转制造出地面重力千分的微重力环境,调查其对老鼠体外受精和产仔造成的影响。

结果发现,虽然能正常受精,但在受精卵分裂过程中,胎盘一侧聚集的细胞数少于通常情况,发育速度也有所减慢。将其注入雌鼠子宫之后可以正常产仔,但产仔率下降了将近一半。

过去开展的太空实验表明,鱼类和两栖类可以在太空正常发育。研究小组分析认为“造成这一状况可能是因为哺乳动物特有的胎盘的发育和重力有关”。

失重的科学定律

物体的重量来源于地心的引力,牛顿的万有引力定律,论述了地球的引力场作用于所有的物质。在宇宙星系中,所有的星球都存在一种引力场。《失重》一词,代表了物质失去了引力场的作用力,比如,人类在太空中脱离了地心的引力,其重量等于零,一切物质都呈现为漂浮状态。物质的重力相对于地心的引力作用,物质的密度和质量越大,相对于的重力就越大。脱离了地心的引力,一切物质都将在失重的状态下。在五维空间中,由于物质运行速度的量变,时间,地心引力,微重力,物质高速运行时所产生的离心力,以及物质的重力和失重都将会产生相对的作用量变。

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