重力与失重引发问题初探

习题 航天员在完全失重的太空舱中进行体能锻炼.下列活动中可得到锻炼的是

A.举哑铃 B.在跑步机上跑步

C.用弹簧拉力器健身 D.引体向上

在交流讨论中，一些同学认为，完全失重的条件下，弹簧测力计称重时读数为零，表明重物对弹簧测力计没有拉力作用.同样航天员在完全失重的太空舱中，用弹簧拉力器进行体能锻炼就没有健身效果.事实如何呢？由这个问题而引发了相关问题的浅显探论.

1.物体所受的重力大小与位置有关

重力是由于地球的吸引而使物体受到的力.地球对物体的引力就是它们间的万有引力.从效果看，地球对物体的引力一部分提供物体绕地轴做圆周运动所需的向心力，另一部分则是重力.因此重力是地球对物体吸引的一部分.在地面上，物体绕地轴做圆周运动，赤道上的物体轨道半径最大，所需的向心力最大，物体在赤道上时重力最小；在地球的两极处，轨道半径为零，所需的向心力等于零，两极处物体的重力最大.同一物体所受的重力随着纬度增大而减小；

物体间万有引力的大小跟它们质量的乘积成正比，跟它们距离的平方成反比.物体离地面越高，地球与重物间的距离越大，物体受地球的引力越小，物体所受的重力也会越小.为了方便记忆，可以简单记着：“极”大、“高”小.即物体的重力在地球的两极处大，在离地面高处重力小.

2 完全失重的条件下，地球对物体的吸力依然存在

水总往低处流淌，大气总笼罩在地球表面，月亮总与地球为伴……，这一切都与地球对它们的引力有关，这个引力就是万有引力.一切有质量的物体之间总存在万有引力.因此，无论物体是否处于失重状态，地球对物体的引力总是存在.在太空中完全失重的条件下，地球对物体的引力全部提供它们随太空舱一起绕地球做圆周运动，物体对支撑面的压力或对悬挂物的拉力为零.生活中也常遇到一定程度的失重体验，如电梯开始加速下降时或汽车从高桥向下加速冲时，人们会有一种“飘与悬的感觉”，这些属于失重现象.失重时若用弹簧测力计测物重，则测力计的示数小于物体实际重力.失重并没有失去地球对物体的引力，而失去或部分失去的是支撑面的压力或者对悬挂物的拉力，失去或部分失去弹簧测力计测重时的示数.

3.失重条件下的弹簧测力计的使用

太空舱在运行轨道上处于完全失重的状态，物体对支撑物的压力或对悬挂物的拉力为零.弹簧拉力健身器或弹簧测力计，它的主要构件是弹簧，在弹性限度内，弹簧的伸长量（或压缩量）跟它受到的拉力（或压力）成正比.外力使弹簧发生形变的缘故，且外力越大，伸长量（或压缩量）越大.同时，发生弹性形变的弹簧又要恢复原状，会反过来对施力于弹簧的物体以反作用力，即“力的作用是相互的”.因此，只要对弹簧测力计施力，弹簧就会发生弹性形变，测力计就会有相应力的示数值.所以在失重的条件下，弹簧测力计的使用正常有效.弹簧拉力器健身核心部分是弹簧，当然有锻炼体能的效果.而在完全失重条件下，举哑铃、在跑步机上跑步或引体向上等，由于物体或身体轻若羽毛、悬如气球，无法达到健身之效.

4.天平、弹簧测力计在地球、月球及失重条件下的使用状况

天平、弹簧测力计在地球、月球及飞船上的使用状况取决内因与外因.内因就是天平与弹簧测力计的工作原理，外因是外部的条件.天平是根据杠杆原理制成，弹簧测力计是利用弹簧的形变量与外力成正比的原理制成.用天平在地球、月球上测同一物体的质量，所测的质量值相同.可以假想，在地球上已达到平衡的天平移至月球上也一定平衡.天平是等臂杠杆，天平是否平衡取决于两盘对横梁的压力是否相等，两边横梁受到的压力相等则平衡，否则就不平衡.但天平拿到完全失重的太空舱中，左右两盘对横梁不再有压力，天平便无法使用.由于地球与月球本身质量的差异，月球对物体的吸力大约是地球对物体的吸力的六分之一.因此弹簧测力计在地球和月球上使用正常，但测量同一物体的重力时，结果不同.

5.完全失重条件的开发利用

在完全失重的条件下，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，运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，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.在失重条件下，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；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合金……

以上的分析与探讨让我们体会到，思维的起点是基础原理，思维的线索是基本知识.抓住基础知识，回归基本结构，依据基本原理，逐步展开剖析，这是解决问题的基本策略.