失重

物体在引力场中自由运动时有质量而不表现重量或重量较小的一种状态,又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。确切地讲,当加速度竖直向下时为失重状态。

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基本资料

物体在引力场中自由运动时有质量而不表现重量或重量较小的一种状态,又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。确切地讲,当加速度竖直向下时为失重状态。 中文名称失重 外文名称Agravity 范畴 物理 领域: 力学 定义:指物体失去了重力场的作用 主要现象:物体对支持物的压力小于重力

失重简介

  所谓失重,就是物体不被引力所作用。所谓重力,是物体所受地球的引力的一个分力(大小几乎等于引力)。引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。就质量一定的天体来说,物体离它越远,所受它的引力越小,即重力越小,在足够远的距离上,它的引力可以忽略不计。但宇宙中不只一个天体,众多天体的引力会形成一个引力场。因此,太空不会是失重环境。当然,就局部地区来说,如在地--月系统中,只考虑地球与月球的引力,在地球与月球之间的某些点上,地球与月球的引力相互抵消,重力为零。  在日--地之间也有引力平衡点。绕地球飞行的载人飞船,离地面一般只有几百千米,那里的太空当然不会是零重力环境,即使在36000千米高空绕地球飞行的航天器,其周围太空也不会是零重力,而只能是轻重力,即重力比地球表面上轻。 利用飞机作抛物线飞行或利用自由落体原理设计的失重塔只能提供短暂的失重感。航天器在环绕地球运行或在行星际空间航行中处于持续的失重状态。在环绕地球运行的轨道上,实际上只有航天器的质心处于零重力,其他部分由于它们的向心力与地球引力不完全相等而获得相对于质心的微加速度,这称为微重力状态。  航天器上轨道控制推进器点火、航天员的运动、电机的转动以及微小的气动阻力等都会使航天器产生微加速度。因此,航天器所处的失重状态严格说是微重力状态。航天器旋转会破坏这种状态。在失重状态下,人体和其他物体受到很小的力就能飘浮起来。长期失重会使人产生失重生理效应。失重对航天器上与流体流动有关的设备有很大影响。利用航天失重条件能进行某些在地面上难以实现或不可能实现的科学研究和材料加工,例如生长高纯度大单晶,制造超纯度金属和超导合金以及制取特殊生物药品等。失重为在太空组装结构庞大的航天器提供了有利条件。所谓失重,就是重力为零,即零重力。生活现象  经常有人们认为自由下落过程中的物体被称作失重状态,但这种解释只是表象,感官上认为这是失重,其实并不是真正的失重,失重是指物体不被任何重力场影响。  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在其他一些不正常情况下的(远离星球或大重量物体)处于引力平衡点的零重力的环境下,这种现象应被称为完全失重。物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象叫失重(假如说地球重力消失了,那么人只要轻轻一跳将会向着一个方向永远飞行下去)。  绕行轨道时的加速度(Radial acceration)抵消了重力加速度。因此圆周运动的太空船所受净力为零。而每个时间点的瞬时加速度,都将指向地球中心。在外太空,太空人和太空船里每一件物件受到地心引力,都以同样的速度绕地球运动,所以在太空中会呈现失重状态,所有的物质都无法测出重量的。

失重特征

  判断物体是否完全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。

失重状况

  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,人体内部各部分之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、呕吐等症状。  在过去三十多年太空飞行中,蘇俄和美国的科学家收集了一些初步的数据。这些数据显示,失重对内分泌、红白血球的产量、内耳平衡器官及骨质的疏松,都有一定程度的影响,但最明显的生理失重状况,莫过於太空失水及其引起的一些症状,如太空贫血、内分泌降低、双腿肌肉萎缩等。失重还会引起骨骼失钙的後果,与上了年纪的骨质疏松症(osteoporosis)极为相似。  在微重力物理、化学科学方面也有了长足的进展。大量收集了在失重下燃烧、材料、流体方面的数据。在蛋白质晶体生长方面更有突破性的进展。每次太空飞行都带著上百个蛋白质结晶实验,这对人类的医学方面贡献是极为巨大的。

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。

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,液滴呈绝对球形,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,形状呈绝对球形,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9”至“8个9”,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,在地面上生产时,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,晶体的生产是均匀的,生产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.

主要危害

  失重的不利作用很大,失重除了导致宇航员骨质损失外,还会导致宇航员肌肉松弛,免疫力下降和衰老。引发多种空间运动病,近20年载人航天史上,空间运动病频繁发生。下面一组数字足以说明这一点:原苏联上升号宇宙飞船上的航天员发病率约为60%,礼炮号空间站上的发病率为40%,美国阿波罗宇宙飞船上航天员以病率约是37%,天空实验室上为55.5%,航天飞机上为53%,这说明了空间运动病是航天学领域极待解决的问题。  失重会使水份在人体内的分布发生变化。由于失去重力的作用,面部水份分布会增多,就会出现眼窝肿胀,面部水肿,眼帘变厚,皱纹消失,血浆容量减少,细胞内液丢失等现象失重还会使人体内心血管功能产生变化。具体变化如下:1.心功能下降。例如:心肌质量减少,收缩力下降等;2.人体心肌的病理性变化;3.冠状动脉和冠脉微血管的组织结构改变,毛细血管血液淤浸,出血,血管内皮细胞肿胀,破裂;4.心肌的生化改变,如蛋白质合成减少,脂质堆积,心肌胶原增加,去甲肾上腺素减少,钾钠离子减少;5.主动脉,腹主动脉有明显的内膜增生,脂质沉积,毛细血管萎缩,内皮细胞肿胀等;6.人体上身器官和组织中血液充盈度上升,下肢静脉血液充盈度下降,长期在失重状态下工作会使脑半球供血不对称(右升左降)而免疫系统呢?我们的身体每时每刻都会受到微生物的侵袭。比如细菌、病毒,一些原生动物等。一般情况下,这些微生物不会对人体造成伤害,甚至有些细菌对人体还是有益的。  免疫系统保护着人体。人的免疫系统功能主要归功于人体各种各样的免疫细胞,其中,最重要的是B淋巴细胞和T 淋巴细胞。B淋巴细胞能够分泌抗体、阻止病原菌的入侵并标记致病菌,T淋巴细胞杀灭致病菌。但在太空中,这两种细胞就不那样“勤奋”了。比如,T淋巴细胞在太空中不能很好增殖,它们的数量大大少于在地球上的数量,并且,在体内的迁移以及相互之间的联系信号也不正常。从而使抵御外来致病菌的能力大大降低了。  美国约翰逊航天基地微生物研究中心的丹尼尔皮尔森说,宇航员咳嗽所喷出的小液体中所含有的病原微生物要比地球上正常人多8到10倍。这主要是因为失重等原因,使体内荷尔蒙释放异常,从而影响了T淋巴细胞的表现。有的是骨失。我们通常认为骨头是刚性的、不变的,然而事实并非如此。骨骼也是一种组织,它们的新陈代谢活动繁忙,它们的形状会因承受压力的变化而变化。骨骼组织中既有破骨细胞,又有成骨细胞。成骨细胞不断的贮藏磷酸钙,而破骨细胞不断地除去。通常情况下,这两种活动过程互相平衡。  一旦你进入太空,重力几乎为零,骨头缺少压力,促使成骨细胞活动的刺激没有了,但破骨细胞的活动还在继续,因此,破骨与成骨的平衡被破坏了,骨骼被破坏的多,重建的少,导致骨骼物质流失,使骨骼变得脆弱。据研究表明,太空旅游者每个月会丢失1%到2%的骨头重量,到目为止,还没有找到有效防止的方法。研究还发现:太空中的辐射,失重,生物钟的调节以及精神上的压力,都会影响人类在太空中的生殖能力。男性精子染色体会受到影响,发育中的胚胎会被破坏。由于失重和辐射线会使男女内分泌失调,极易造成不孕,而即使能正常生育,孕妇及胎儿的健康也很难完全正常。  钙质的流失会使孕妇的骨质疏松,而胎儿的钙质剧烈变化,会使新生儿痉挛,甚至丧命。如何加强太空中的防辐射设备,强化人体骨质,调整男女的内分泌系统,是实现太空移民梦必须克服的难题。除了以上几个重要影响外,失重还对人的味觉发生影响。因此,宇航员普遍抱怨在天上吃饭吃不出味道。那是因为,太空失重环境引起宇航员的味觉失调,如失重使鼻腔充血,导致味觉神经钝化,唾液分泌发生变化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之一的微重力环境,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

解决方法

  自从1957年,苏联发射第一颗人造卫星以来,航天技术的发展可谓一日千里。运载卫星,航天飞船,载人卫星相继出现,地球的周围,已结满人类智慧的花朵,而我们已开始走出地球,来到外太空进行科学研究了。已有人类登上宇宙空间站进行科学研究。影响美国航天飞机从1982年开始就栽种植物种子到太空,观察它们在失重条件下的发芽生长情况:还载各种小动物到太空研究它们在失重条件下的活动和发育情况。1984年4月6日挑战号航天飞机升空,它载有蔬菜,水果,花卉等120个品种的种子,其中有1200粒西红柿种子,研究了宇宙辐射对植物种子的效应和失重状态对植物萌芽的影响。1992年9月12日升空的奋进号航天飞机,载有180只大黄蜂,7600只果蝇和30只受精鸡蛋等,进行了19项生物学实验,观察它们在失重环境的繁殖和习性行为。1993年10月18日哥伦比亚号航天飞机上天,还载有48只老鼠,研究了哺乳动物从微重力条件下返回地球重力场后对重力的适应过程。还有11项实验以航天员本身为实验对象,研究了太空对人体的影响。人们开始在太空栽培植物,看看植物是否还知道“上”和“下”的概念呢?从理论上讲,在太空失重的环境下,再加上24小时都有充沛的阳光,植物生长有条件比地球上优越得多。科学家期望,空间站能结出红枣一样大的麦粒,西瓜一样大的茄子和辣椒。但,结果却令人失望。为什么植物对重力这么依恋呢?按照温特的生物理论可以这样解释:长期生活在地球的植物形成一种独特的生理功能,当它受到重力刺激,在植物组织下部的生长素含量会大大增加,于是就使植物的根朝下生长,而茎则朝上生长。一旦失去重力作用,生长素就无法汇聚在适合的部位,使幼茎找不到正确的生长方向,只能杂乱无章地向周围发展,最终导致死亡。太空环境对生物的不利影响很多。  在太空上,只有模仿地球引力和负荷,加强运动才能解决肌肉萎缩,骨质疏松,心功能衰退的问题。新式太空服中必须有一套为人体补充维生素和紫外线辐射的装置,以解决这个问题,此外在太空中空气不会自由流动,通风机一定要不停地开动。医生们治疗骨折时,通常是用石膏,夹板和绷带从外面将骨骼固定,保持骨骼固定性。但是,美国有一种内部固定技术,可使用于太空中,即在太空做手术。这种技术的好处是恢复快,痛苦少,甚至无痛苦,非常适用于太空。瑞士内部固定研究会和美国宇航局正对这方面的技术进行全面的研究并训练了多名外科医生。建立空间医院也是一个很重要的方面。它不仅负责心理治疗,更研究如何确保宇航员的生命安全其中包括研究如何采取物理预防措施,如体育运动,电刺激,下身负压,防护服等,还要研究空间用的药物,进行临床治疗与预防。空间药理学的任务是要寻找有效药物使血液重新分布正常化,消除小循环和大脑血液循环的部血现象,预防心脏活动的紊乱,提高站立耐力等。其中特别重要的是研制预防和治疗心律不齐药,强心剂,影响心肌能量储备药,调节血管张力药等。当然,根本性的解决办法是设法建立一个类似于有重力的特殊环境。对此我们设想可以利用离心力:让人生活在一个转动的轮子里,轮壁对人的支持力,形成向心力。而人对轮子就有压力。这样与地球上的重力相似。只要选取合适的轮子半径和转速,就可产生类似重力的力了。人生活在这样的环境中会不会觉得头晕呢?这是可能的,因为:人具有高度,这样头和脚的转动半径就会不一样,因而受到的向心力就会不同,这可能会引起生理上的不适,导致头晕等感觉。但这个问题是完全可以解决的,我们分析:要减少这种感觉,就要减少头与脚的向心加速度的差距。  还有一个问题:在宇宙中无依无靠,怎样才能使轮子转起来呢?根据动量守恒定律,利用两个轮子分别向相反方向转动。首先,可把一具电动机装在两个轮子的圆心上,一个接定子,一个接转子,当开动电动机时,两个轮子就以相反方向的速度旋转,当达到一定的转速时,关闭电动机,轮子就可永远不停歇地转下去。(不考虑阻力)  做到这样,人类既可以在失重环境下工作,又可在有模拟重力的环境下生活,就能使太空的科学研究和生产活动更持久,取得更好效果。不妨想象一下吧,人们在这个环境中生活和在地球上是完全一样的,跳起来,一样会落下去,水也会向低处流,鹰击长空,鱼游水底也能在太空成为现实,甚至人们的重力还是可以调节的,只要调节转速就可以改变向心加速度(类似于地球上的重力加速度),人们也可以在那个环境中进行体育健身活动,建立一个在太空中的足球场在理论也是可行的,当人们踢足球时,就将重力加速度调小,运动员们就可以跳得更高,跑得更快,比赛就会更精彩,那该是多么的美妙啊!我们坚决认为,只有建立一个这样的环境,人类大规模利用太空才能成为可能

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