失重到底是什么?

 

　　當我還是一名大學生的時候，學習真實的物理內(nèi)容之前，我都要閱讀一本正兒八經(jīng)教科書里的相關(guān)材料。然后，教授會就講授專題，也許會講解一些例子來加以輔助。最后，我們會去物理實驗室和儀器打成一片，更深地探索這些物理概念。這個學習方法本身固然無可厚非，但難道就沒有更好的方法了嗎?如果我們倒過來，從實驗而非閱讀開始我們的物理學習，又會如何?我們現(xiàn)在就以這樣的方式開始吧。如果你用身邊智能手機上的應用程序Google search開始的話，這個實驗做起來是最有趣的。打開這個程序，在里面搜索框里輸入：為什么宇航員在太空里面會處于漂浮狀態(tài)的?輸入完畢后開始搜索，我的手機上會得到這樣的一個官方答案，也許你和我得到的搜索結(jié)果雷同：

 

　　點擊這個鏈接，你會直接看到我寫的博客。沒錯，是我就這個問題寫了一番完全錯誤的解釋。先別急，我這樣是有目的的。解釋失重問題時，很多人用的就是這個google引擎通過了的說法，可以說這是一個解釋失重問題頗為流行的答案版本。而我就以這樣一個錯誤的答案來開始對“失重”問題的探討。上述這個google引擎給出的答案是站不住腳的，除此之外，我還有另外一個一樣廣泛為人所接受但也一樣錯誤的答案“宇航員在太空里面失重，是因太空里面沒有空氣”。

 

　　這兩個為大眾普遍接受的關(guān)于引力問題的概念到底哪里有問題?我們就從真空開始談起吧。月球就是一個存在引力但處于真空狀態(tài)的絕佳例子?？匆幌掳⒉_登月的錄像你就會明白了。如果還不明白，需要稍微給點提示，那么你搜索一下約翰·楊有名的“跳躍式致敬”即可。月球上根本沒有空氣，但宇航員卻不因真空而漂浮移動。月球自身的引力仍然能給宇航員以一個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，這直接導致我們認為“宇航員在太空里面失重是因為太空里面沒有空氣”。

 

　　也許，宇航員在太空里漂浮不定，是因為他們離開地球太過遙遠，地心引力在大小上不足以對宇航員產(chǎn)生顯著的作用。為了回答這個問題，我們來了解一下引力。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有質(zhì)量的物體間相互吸引的一種作用力。這種力和兩個物體質(zhì)量的乘積成正比，和物體間距離的平方成反比，寫成公式是這樣的：

 

　　

 

 

 

　　萬有引力常數(shù)G是適合于任意兩個物體之間的普適常量，其值為6.67×10-11N·m2/kg2。那么那個著名的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“普適”的計算重力的值。

 

　　假如地面上有個物體與地球發(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，萬有引力公式不是說距離地球越遠地心引力越弱嗎?沒錯，但事實上并不如你想象的那樣會減少那么多。普通繞地球做勻速圓周運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，在軌道上運行的時候為657N。引力作用在軌道運行時變小了嗎?變小是沒錯，但小到可以稱之為“失重”嗎?顯而易見不是，軌道上的引力居然也達到了地面上引力值的89%。所以，“距離變大、引力變小導致宇航員失重”這一說法是沒有根據(jù)的，不能正確解釋這種所謂的“失重”現(xiàn)象。

 

　　請你想一下我們平時是如何感受重力的。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)。這里以兩個電梯情景為例，進一步說明人在不同情景下對重力的感知。

 

　　例1:在電梯里面站立，不要去按鍵，讓電梯處于靜止狀態(tài)。你會有什么感受?尷尬別扭嗎?請看以下圖示：

 

　　

 

 

 

　　因為你在靜止狀態(tài)下并且保持了這個狀態(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力：一個是作用在人身上的電梯地板向上的支持力，另一個是地球施加給人向下的引力，兩個力大小一致、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。在電梯加速向上運動的短暫瞬間，你感覺如何?焦慮?也許你會感到身體變得比原來更重了一點。如果你坐的電梯也和我家那部令人討厭的電梯一樣運行緩慢，也許你還會感到不舒服。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：地板對你的支持力更大，或者地球?qū)δ阆蛳碌囊Ω?。由于地心引力的大小取決于你的質(zhì)量、地球的質(zhì)量、人和地球的距離。地心引力在大小上沒有發(fā)生變化。這意味著地板一定對你施加了比例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有發(fā)生變化。

 

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

 

　　

 

 

 

　　合外力方向此時向下。地心引力的大小還是沒有變化，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?這時地板根本無需對你進行任何支撐。你感受如何?你一定會感到十分恐懼，畢竟你現(xiàn)在坐的電梯纜繩已經(jīng)斷裂。你還會有什么樣的感受?如果你還沒來得及吃早餐的話，恐懼之外你也會覺得有點兒餓。哦，還有你會感受到失重。這種情況真的能發(fā)生嗎?絕對可能!事實上，有人會花錢來做這樣的事情。在游樂場，有多少人故意坐“摔下去”的車，比如“恐怖之塔”這樣的過山車。

 

　　我們來總結(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;

 

　　●對于不同的情況，加速度大小不同;

 

　　●地板對你的支持力越小，你感到體重越輕

 

　　●如果地板對你的支持力為0，你感到失重;

 

　　我們暫且把電梯的情景擱置一邊，轉(zhuǎn)而來看看本文探討的最后一個關(guān)于地球上失重的例子：嘔吐彗星機。沒錯，確實存在這樣的儀器。嘔吐彗星機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，飛行器在完成失重之后會立即提升飛行高度再交替失重操作，反復進行。這些操作的效果讓不少受試者會感到到運動眩暈，故而此飛行器得名“嘔吐彗星”。

 

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

 

　　回到我們對太空的探討。我們知道宇航員乘坐著航天飛機繞地球運行。但是它加速了嗎?沒錯，它處于加速狀態(tài)中。航天飛機繞地球做勻速圓周運動時所需要的向心力正是由地球通過萬有引力提供的。雖然它做的是勻速圓周運動，但是它仍然在加速。你也可以說航天飛機確實在下墜因為它的運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，因為它的運動不一定會使得它更靠近地球，所以更加切合實際的說法是說它“繞軌道”運行。

 

　　你也可以這樣考察這個問題：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動，你得用多大的力氣才足以使得水不灑落?讓我們來分析一下。水桶在最高點位置上水非但不會灑落，圓周運動指向繩端的加速度還使得水向水桶底部擠壓，獲得一個來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，會是怎么的畫面呢——這便是宇航員在太空里的情況。宇航員正如同桶里的水，圓周運動時，并沒有一個桶底部施加了一個指向地球的力，而是地球?qū)τ詈絾T的引力承擔了這個向心力。

 

　　如果你真的處于一個萬有引力為零的地方(譬如說一個遠離其他大質(zhì)量物體的地方)情況又會如何?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)在沒有地心引力的條件下，你身在一部向上加速運動著的電梯里面，你就會感到加速度的存在。此時電梯地板的支持力增加，即使沒有引力你也不會感到失重。這種情況實質(zhì)上和軌道上航天飛機運行的那個例子恰恰相反。如果你能讓航天飛機以大小為9.8m/s2的加速度上行，即使離開地球的引力，你的感受在效果上和在地球表面依舊完全等同。

 

　　運載著火箭的航天飛機不斷加速，這時在航天飛機上人的感受和地心引力的效果是相似的，這段時間里航天員一直會感受到重力，但也許宇航員只想繞地球軌道運轉(zhuǎn)即可而不希望一直加速到另外一顆行星之上。在繞地球運行的航天飛機上，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，你可以制造一架會自轉(zhuǎn)的航天飛機。由于航天飛機時刻處于自轉(zhuǎn)(非繞地球轉(zhuǎn))，其圓周運動也需要向心加速度，人就在航天器的內(nèi)表面上獲得一個方向指向自轉(zhuǎn)圓心的合外力。拿現(xiàn)實中自轉(zhuǎn)的水桶實驗做類比，假設(shè)在沒有地心引力的條件下(效果等同于航天飛機繞地運行失重的情況)，水桶里的水仍停留在桶中不會移動。人這時如果在這樣一只自轉(zhuǎn)著的水桶里，一樣也會感到重力的存在。同理，宇航員在這樣自轉(zhuǎn)的飛船里一樣能感受到重力——地板對他的壓力和他站在電梯里面得到的重力感受完全一樣。對兩種情況的感受在本質(zhì)上是毫無區(qū)別的，但又不是絕對相同，因為這時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)頭盔的運動軌跡和腳部的運動軌跡就完全不一致了。

 

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

 

　　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。航天員之所以看上去失重，是因為他們和航天飛機在做勻速圓周運動，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。

 

　　來源：極客物理學 : 地球上最有趣的問題和最出人意料的答案 作者：[美] 瑞特·阿萊恩

 

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