完全失重現象

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。

拿起一個裝滿水的杯子，將杯口朝下，水卻不流出來；突然一鬆手，杯子並沒有往下掉，而是穩穩的停在半空中……

影片《卧虎藏龍》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，它的機理是什麼呢？

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）有聯繫，又有區別。重量消失（等於零），不等於重力或引力消失（等於零）。也就是可以說，失重就是零重量。

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。

太陽系內的宇宙飛船(或人造衛星)只受萬有引力作用而運動的時候，它的質心相對太陽系質心坐標系這個慣性系的加速度A不為零，等於宇宙飛船受到的萬有引力與質量之比，即等於飛船所在處的引力場強度.

以宇宙飛船的質心為原點，坐標軸指向某幾顆遙遠的恆星，這樣建立的坐標系稱為宇宙飛船質心坐標系。要在宇宙飛船質心坐標系中，對其中的或附近的質量為m的物體，應用牛頓第二定律，原則上應該引入等於(-mA)的慣性力。由於物體受到的萬有引力(mA)跟慣性力(-mA)的矢量和正好為零。因此在宇宙飛船質心坐標系(坐標軸指向遙遠的恆星)中，對宇宙飛船或裡面的物體或附近的物體，應用非慣性系牛頓第二定律的時候，可以同時不考慮慣性力和萬有引力。在這個非慣性系中，物體似乎失去了萬有引力(實際上為慣性力所平衡),這種現象稱為完全失重.

完全失重的概念，提示人們只受萬有引力作用的物體的質心坐標系具有怎樣特殊的性質.

電梯只受萬有引力作用的時候，如果試圖在電梯質心坐標系(最好定義它的坐標軸指向遙遠的恆星，定義它相對地面平動尚可)中，對電梯或電梯中的物體(以及對電梯外邊附近的物體，比如電梯正下方的幾米厚的泥土),應用牛頓第二定律，那麼電梯和其中的物體似乎失去了地球和其它天體施加的萬有引力(實際上為慣性力所平衡),這種現象也稱為完全失重.

兩塊磚頭疊在一起，作平拋運動或自由下落的時候，如果試圖在磚頭質心坐標系中，對每塊磚頭應用牛頓第二定律，那麼磚頭似乎失去了萬有引力(實際上慣性力正好跟萬有引力平衡),這種現象也稱為完全失重。在磚頭質心坐標系中，每塊磚頭都處於靜止狀態，受力平衡或不受力；磚頭完全失重，相應地，兩塊磚頭之間沒有壓力作用.

按照以上定義，完全失重概念適用於，只受萬有引力而運動的物體的質心坐標系中，對質心附近的物體進行動力學分析.

人造地球衛星、宇宙飛船、太空梭等航天器進入軌道后，其中的人和物將處於失重狀態。航天器進入軌道后可以近似認為是繞地球做圓周運動，做圓周運動的物體的速度方向是時刻改變的，因而具有加速度，它的大小等於衛星所在高度處的重力加速度的大小。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於完全失重狀態。

能夠想像出失重的條件下會發生什麼現象嗎？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，液滴呈絕對球形，氣泡在液體中將污泥濁水上浮。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“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像力，舉出更多的現象來。

還可以再想一想，人類能夠利用失重的條件做些什麼？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。

在失重的條件下，熔化了的金屬的液滴，形狀呈絕對球形，冷卻后可以成為理想的滾珠。而在地面上，用現代技術製成的滾珠，並不呈絕對球形，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。在地面上不可能製成很長玻璃纖維，因為沒等到液態的玻璃絲凝固，由於重力的作用，它將被拉成小段。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？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”，均勻地分佈在液態金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，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，在失重的條件下，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使合金。

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9”至“8個9”，即99.9999%－99.999999%.在地面上，冶鍊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鍊的金屬中。而在太空中“懸浮冶鍊”，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，可以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，由於受重力的影響，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，它要比現有的硅晶體優越得多，將會引起電子技術的重大突破。

在太空失重的條件下，會生產出地面上難以生產的一系列產品。建立空間工廠，已經不再是幻想。

人類在太空建造永久性建築日益成為可能，太空工廠將列入第一批太空建築。由於脫離了重力約束，在高度真空的特殊條件下，太空工廠將成為製造某些地球上不能製造的稀有產品的理想場所。由太空梭把原料送往太空工廠，或者利用太陽系各行星中的資源，製造加工成所需的產品后再運回地球。因為太空不存在冷熱對流、濃淡、沉澱等現象，所以太空工廠製造的藥品比在地面上製造的純度至少高5倍，製藥的速度快400倍。

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。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。

找一個用過的易拉罐或塑料瓶，在靠近瓶底的一側打一個小洞，用手指按住洞，在裡面裝上水，移開手指，水就從洞中射出來，顯然大氣壓強P0加上液體重量產生的附加壓強ρgh，大於孔外側的大氣壓強，水就會從塑料瓶的小孔中射出，接著讓塑料瓶自由落下，在下落過程中，水就不會從小孔中流出。

教學中，在準備這個實驗時，找一個空的塑料瓶，在靠近瓶口的側壁上打一個直徑為2mm的小孔，靠近瓶底部的側壁上打一個直徑為1mm的小孔，實驗時，先用一個透明膠粘住靠近空瓶底部的小孔，然後在瓶中裝上水，由於透明膠，水不會流出，拉開透明膠，水就從那個小孔中射出，如果在高處鬆開手，讓塑料瓶自由落下，水就不會從小孔中流出。

這個失重演示實驗具有可操作性，可以自己在家完成這個實驗，體會水的“完全失重現象”，但是，這個失重實驗容易做成功，但是教師在課堂上演示這個實驗時存在幾個問題：

1．兩米的高度讓塑料瓶自由落下，下落的時間不足1秒，由於水是無色的，所以在很短的時間，後面的同學不能確定水是否流出。

2．透明膠粘住小孔，水還是很容易滲透，教師不好操作

3．塑料瓶往下落，學生容易理解到慣性上面，以為是瓶子下落的比水快些，所以水才不會流出

（一）改進

將塑料瓶原來靠近瓶口的側壁上打孔改成在瓶蓋上打孔，將原來這個靠近瓶底部的側壁上打一個孔改成打20個孔。實驗時，將水裝滿，擰緊瓶蓋，用手按住頂部小孔，由於大氣壓的緣故，水不會流出，放開瓶蓋上的手指，水會從20個小孔中射出，如果在高處鬆開手，塑料瓶自由落下，在下落的過程中，水受的重力全部產生g，也就不產生附加壓強ρgh，“完全失重”的水將不會從孔中流出，開始是20個孔射出水，現在是滴水不漏，對比非常強烈，另外，為了增強實驗的效果，還可以在水中滴上幾滴紅墨水，這樣，無論坐在哪裡的同學，失重實驗的現象一目了然。（二）拓展

失重實驗還可以說明“物體發生超重還是失重，是由加速度的方向來決定的，而不是速度的方向決定”，瓶子下落時水不流出來更不是慣性的原因。

教師可以設計這樣的提問：當把塑料瓶豎直上拋，水會不會從小孔中射出來呢？有的同學會錯誤的回答：上升的階段有水射出，回落時無水射出。

然後讓學生自己做實驗糾正錯誤觀點，把裝滿水的塑料瓶高高拋起，發現上升和下降階段都是滴水不漏的，甚至還可以隨便讓瓶子象任一個方向拋出，現象都一樣。最後得出：“當物體減速上升和加速下降時，物體都會發生失重現象”，和“當物體有向下的加速度時，物體不論向哪裡運動，都會發生失重現象，如果這個加速度的數值等於g，物體就會發生完全失重的現象。”

模擬訓練：

失重訓練是利用失重飛機完成的。它可以完成拋物線飛行，形成15-40秒的微重力時間。使航太員感受、體驗和熟悉失重環境，在失重的時間裡可以做各種試驗，如吃東西、喝水、穿脫衣服、閉眼與睜眼的定向運動，甚至可把一個艙體搬進機艙中，還可以進行人在失重的時間裡從艙體爬出來的試驗，訓練太空的出艙活動。

美國的小型失重飛機有T-33和F-104飛機改裝的失重飛機。大型失重飛機有KC-135和PC-9，蘇聯/俄羅斯用伊爾-76改裝的大型失重飛機，其微重力時間大約有30s秒。法國有“快帆”和A300失重飛機，A300是目前世界上最大的失重飛機。日本也有大型或中型失重飛機。中國曾利用殲教-5改裝成小型失重飛機。

在地面還可以用中性浮力水槽產生的漂浮感覺，模擬訓練航天員在失重時進行工作和維修。中性浮力水槽模擬失重的原理是，當人體浸入水中時，通過增減配重和漂浮器使人體的重力和浮力相等，即中性浮力，獲得模擬失重的感覺和效應；但它並沒有消除重力對於人體及其組織的作用，因此，它不同於真實的失重環境。目前，這種方法主要用於對出艙活動的航太員進行訓練。一般是將1：1的航太器放入水槽中，航太員穿上改制的艙外航太服，進行出艙活動程式的模擬和技能的訓練。

重力、引力、失重、微重力、牛頓第二定律、牛頓第三定律、圓周運動、向心力

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