失重

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概念及生活現象

失重是人們在自由下落過程中所經歷的一種現象,雖然「零重力」經常用作失重的同義詞,但是航空器在軌道上的失重不是重力消失或大幅度減小的結果(事實上,在100KM高度上,地球重力僅僅比地球表面減少大約3%)。失重現象主要發生在軌道上或太空內或進行拋物線飛行的飛機內或在其他一些不正常情況下的(遠離星球或大重量物體)物體或人的自由下降。物體對支持物的壓力小於物體所受重力的現象叫失重。也就是視重小於實際重力,當近地物體的加速度向下時,其實際視重小於實際重力我們就稱其處於失重狀態 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。

影片《臥虎藏龍》中大俠們「騰雲駕霧,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,超過人們的想像。 以上種種的現象就是人們通常所說的失重。  

失重物體的特徵

判斷物體是否失重一個最重要的標誌是,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,都是處於力的平衡狀態,但並不失重。因為在這些情況下,人體內部各部分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於失重,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係。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,就會引起太空飛行員產生頭暈噁心嘔吐症状。  

關於微重力的概念

完全失重是一種理想的情況,在實際的太空飛行中,太空飛行器除受引力作用外,不時還會受到一些非引力的外力作用。例如,在地球附近有殘餘大氣的阻力,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。太空飛行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,太空飛行器即使只受到引力作用,它的內部實際上也存在微重力,這是因為太空飛行器不是一個質點,而是具有一定尺寸的物體。

人們常用10-6-10-4g來表示太空飛行器中微重力的水平。微重力越小,失重越完全。總之,完全失重狀態只是理想狀態,微重力才是實際情況。  

失重公式

由牛頓第二定律得:N+ma=mg

所以N=m(g-a)<mg

由牛頓第三定律知,物體對支持物的壓力<mg

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

得出結論:向下加速向上減速:加速度方向向下,產生失重現象

故只要加速度方向向下就是失重,與速度方向無關。  

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,我們也是處於相對太陽的「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、太空梭進入軌道後,其中的人和物將處於失重狀態.人造地球衛星、宇宙飛船、太空梭等太空飛行器進入軌道後,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,它的大小等於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,太空飛行器中的人和物都處於完全失重狀態。

你能夠想像出完全失重的條件下會發生什麼現象嗎?你設想地球上一旦重力消失,會發生什麼現象,在宇宙飛船中就會發生什麼現象.物體將飄在空中,液滴絕對呈球形,氣泡在液體中將不上浮.太空人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」在空中進入太空人的眼睛、鼻孔…….你還可以繼續發揮你的想像力,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麼嗎?下面舉幾個事例,將會幫助你思考.這裡所舉的事例,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,冷卻後可以成為理想的滾珠.而在地面上,用現代技術製成的滾珠,並不絕對呈球形,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,不可能製造很長的玻璃纖維,因為沒等到液態的玻璃絲凝固,由於它受到重力,將被拉成小段.而在太空的軌道上,將可以製造出幾百米長的玻璃纖維.

在太空的軌道上,可以製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,凝固後就成為泡沫金屬,這樣可以製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,由此可以製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,其純度要求為「6個」至「8個」,即99.9999%~99.999999%.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,由於受重力影響,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,它要比現有的矽晶體優越得多,將會引起電子技術的重大突破.

失重環境下哺乳動物不能正常繁衍後代

日本理化學研究所和廣島大學共同成立的研究小組在2009年8月25日出版的美國《公共科學圖書館.綜合》(PLoS ONE)雜誌上發表的一項研究成果指出:在國際太空站、太空梭等接近失重的環境中,老鼠受精卵的發育會受到抑制,產仔率也大幅下降。

這一結果表明同為哺乳動物的人類可能也很難在太空繁衍後代。理化學研究所發生和再生科學綜合研究中心(神戶市)的研究小組組長若山照彥表示「通過調查受精卵發育需要多少重力,或許可以知道是否有可能在月面基地培育後代。」

研究人員使用特殊裝置通過讓實驗容器旋轉製造出地面重力千分的微重力環境,調查其對老鼠體外受精和產仔造成的影響。

結果發現,雖然能正常受精,但在受精卵分裂過程中,胎盤一側聚集的細胞數少於通常情況,發育速度也有所減慢。將其注入雌鼠子宮之後可以正常產仔,但產仔率下降了將近一半。

過去開展的太空實驗表明,魚類和兩棲類可以在太空正常發育。研究小組分析認為「造成這一狀況可能是因為哺乳動物特有的胎盤的發育和重力有關」。

失重的科學定律

物體的重量來源於地心的引力,牛頓的萬有引力定律,論述了地球的引力場作用於所有的物質。在宇宙星系中,所有的星球都存在一種引力場。《失重》一詞,代表了物質失去了引力場的作用力,比如,人類在太空中脫離了地心的引力,其重量等於零,一切物質都呈現為漂浮狀態。物質的重力相對於地心的引力作用,物質的密度和質量越大,相對於的重力就越大。脫離了地心的引力,一切物質都將在失重的狀態下。在五維空間中,由於物質運行速度的量變,時間,地心引力,微重力,物質高速運行時所產生的離心力,以及物質的重力和失重都將會產生相對的作用量變。

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