完全失重现象

物理学词语

物理学上的概念，即视重等于零的现象。卫星中的物体与卫星做同样的圆周运动，重力（万有引力）充当向心力，这时，物体在卫星中就好像没有重力一样（实际上重力还在），不需要支持物提供支持力就可以相对卫星静止（视重为0）。在电视看见里面的人和物飘在空中的现象就是完全失重现象。

失重定义

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。

拿起一个装满水的杯子，将杯口朝下，水却不流出来；突然一松手，杯子并没有往下掉，而是稳稳的停在半空中……

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，它的机理是什么呢？

原来，当一切物体在进行航天飞行时，它们的重量都不见了，这种现象称为“失重”。首先应该指出的是，“失重”是指物体失去重量，而不是失去重力。重量是物体对其周围相接触的物体或介质所表现出来的作用力；重力则是地球（或其他天体）对物体的引力。重量与重力（引力）有联系，又有区别。重量消失（等于零），不等于重力或引力消失（等于零）。也就是可以说，失重就是零重量。

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。

分析说明

太阳系内的宇宙飞船(或人造卫星)只受万有引力作用而运动的时候，它的质心相对太阳系质心坐标系这个惯性系的加速度A不为零，等于宇宙飞船受到的万有引力与质量之比,即等于飞船所在处的引力场强度.

以宇宙飞船的质心为原点,坐标轴指向某几颗遥远的恒星,这样建立的坐标系称为宇宙飞船质心坐标系.要在宇宙飞船质心坐标系中,对其中的或附近的质量为m的物体,应用牛顿第二定律,原则上应该引入等于(-mA)的惯性力.由于物体受到的万有引力(mA)跟惯性力(-mA)的矢量和正好为零.因此在宇宙飞船质心坐标系(坐标轴指向遥远的恒星)中，对宇宙飞船或里面的物体或附近的物体，应用非惯性系牛顿第二定律的时候,可以同时不考虑惯性力和万有引力.在这个非惯性系中,物体似乎失去了万有引力(实际上为惯性力所平衡),这种现象称为完全失重.

完全失重的概念，提示人们只受万有引力作用的物体的质心坐标系具有怎样特殊的性质.

完全失重

电梯只受万有引力作用的时候,如果试图在电梯质心坐标系(最好定义它的坐标轴指向遥远的恒星,定义它相对地面平动尚可)中,对电梯或电梯中的物体(以及对电梯外边附近的物体,比如电梯正下方的几米厚的泥土),应用牛顿第二定律,那么电梯和其中的物体似乎失去了地球和其它天体施加的万有引力(实际上为惯性力所平衡),这种现象也称为完全失重.

两块砖头叠在一起,作平抛运动或自由落体的时候,如果试图在砖头质心坐标系中,对每块砖头应用牛顿第二定律,那么砖头似乎失去了万有引力(实际上惯性力正好跟万有引力平衡),这种现象也称为完全失重.在砖头质心坐标系中,每块砖头都处于静止状态,受力平衡或不受力；砖头完全失重，相应地，两块砖头之间没有压力作用.

按照以上定义,完全失重概念适用于,只受万有引力而运动的物体的质心坐标系中,对质心附近的物体进行动力学分析.

失重现象及应用

人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器进入轨道后，其中的人和物将处于失重状态。航天器进入轨道后可以近似认为是绕地球做圆周运动，做圆周运动的物体的速度方向是时刻改变的，因而具有加速度，它的大小等于卫星所在高度处的重力加速度的大小。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。

能够想像出失重的条件下会发生什么现象吗？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，气泡在液体中将污泥浊水上浮。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“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像力，举出更多的现象来。

还可以再想一想，人类能够利用失重的条件做些什么？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。

在失重的条件下，熔化了的金属的液滴，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，并不呈绝对球形，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。在地面上不可能制成很长玻璃纤维，因为没等到液态的玻璃丝凝固，由于重力的作用，它将被拉成小段。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?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，在失重的条件下，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使合金。

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“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，可以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，由于受重力的影响，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。

在太空失重的条件下，会生产出地面上难以生产的一系列产品。建立空间工厂，已经不再是幻想。

人类在太空建造永久性建筑日益成为可能，太空工厂将列入第一批太空建筑。由于脱离了重力约束，在高度真空的特殊条件下，太空工厂将成为制造某些地球上不能制造的稀有产品的理想场所。由航天飞机把原料送往太空工厂，或者利用太阳系各行星中的资源，制造加工成所需的产品后再运回地球。因为太空不存在冷热对流、浓淡、沉淀等现象，所以太空工厂制造的药品比在地面上制造的纯度至少高5倍，制药的速度快400倍。

微重力

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，失重状态只是理想状态，微重力才是实际情况。

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。

试验与训练

实验过程

找一个用过的易拉罐或塑料瓶，在靠近瓶底的一侧打一个小洞，用手指按住洞，在里面装上水，移开手指，水就从洞中射出来，显然大气压强P0加上液体重量产生的附加压强ρgh，大于孔外侧的大气压强，水就会从塑料瓶的小孔中射出，接着让塑料瓶自由落下，在下落过程中，水就不会从小孔中流出。

教学中，在准备这个实验时，找一个空的塑料瓶，在靠近瓶口的侧壁上打一个直径为2mm的小孔，靠近瓶底部的侧壁上打一个直径为1mm的小孔，实验时，先用一个透明胶粘住靠近空瓶底部的小孔，然后在瓶中装上水，由于透明胶，水不会流出，拉开透明胶，水就从那个小孔中射出，如果在高处松开手，让塑料瓶自由落下，水就不会从小孔中流出。

这个失重演示实验具有可操作性，可以自己在家完成这个实验，体会水的“完全失重现象”，但是，这个失重实验容易做成功，但是教师在课堂上演示这个实验时存在几个问题：

1．两米的高度让塑料瓶自由落下，下落的时间不足1秒，由于水是无色的，所以在很短的时间，后面的同学不能确定水是否流出。

2．透明胶粘住小孔，水还是很容易渗透，教师不好操作

3．塑料瓶往下落，学生容易理解到惯性上面，以为是瓶子下落的比水快些，所以水才不会流出

改进实验

将塑料瓶原来靠近瓶口的侧壁上打孔改成在瓶盖上打孔，将原来这个靠近瓶底部的侧壁上打一个孔改成打20个孔。实验时，将水装满，拧紧瓶盖，用手按住顶部小孔，由于大气压的缘故，水不会流出，放开瓶盖上的手指，水会从20个小孔中射出，如果在高处松开手，塑料瓶自由落下，在下落的过程中，水受的重力全部产生g，也就不产生附加压强ρgh，“完全失重”的水将不会从孔中流出，开始是20个孔射出水，现在是滴水不漏，对比非常强烈，另外，为了增强实验的效果，还可以在水中滴上几滴红墨水，这样，无论坐在哪里的同学，失重实验的现象一目了然。

拓展训练

失重实验还可以说明“物体发生超重还是失重，是由加速度的方向来决定的，而不是速度的方向决定”，瓶子下落时水不流出来更不是惯性的原因。

教师可以设计这样的提问：当把塑料瓶竖直上抛，水会不会从小孔中射出来呢？有的同学会错误的回答：上升的阶段有水射出，回落时无水射出。

然后让学生自己做实验纠正错误观点，把装满水的塑料瓶高高抛起，发现上升和下降阶段都是滴水不漏的，甚至还可以随便让瓶子象任一个方向抛出，现象都一样。最后得出：“当物体减速上升和加速下降时，物体都会发生失重现象”，和“当物体有向下的加速度时，物体不论向哪里运动，都会发生失重现象，如果这个加速度的数值等于g，物体就会发生完全失重的现象。”

模拟训练

失重训练是利用失重飞机完成的。它可以完成抛物线飞行，形成15-40秒的微重力时间。使航太员感受、体验和熟悉失重环境，在失重的时间裏可以做各种试验，如吃东西、喝水、穿脱衣服、闭眼与睁眼的定向运动，甚至可把一个舱体搬进机舱中，还可以进行人在失重的时间裏从舱体爬出来的试验，训练太空的出舱活动。

美国的小型失重飞机有T-33和F-104飞机改装的失重飞机。大型失重飞机有KC-135和PC-9，苏联/俄罗斯用伊尔-76改装的大型失重飞机，其微重力时间大约有30s秒。法国有“快帆”和A300失重飞机，A300是世界上最大的失重飞机。日本也有大型或中型失重飞机。中国曾利用歼教-5改装成小型失重飞机。

在地面还可以用中性浮力水槽产生的漂浮感觉，模拟训练航天员在失重时进行工作和维修。中性浮力水槽模拟失重的原理是，当人体浸入水中时，通过增减配重和漂浮器使人体的重力和浮力相等，即中性浮力，获得模拟失重的感觉和效应；但它并没有消除重力对於人体及其组织的作用，因此，它不同於真实的失重环境。这种方法主要用於对出舱活动的航太员进行训练。一般是将1：1的航太器放入水槽中，航太员穿上改制的舱外航太服，进行出舱活动程式的模拟和技能的训练。