揭开失重的秘密

你拿起一个有水的杯子，将杯口朝下，水却不流出来；你突然一松手，杯子并没有往下掉，而是稳稳地停在半空中；你还可以在杯子里将水和油，或者某种液体和气体搅拌得非常均匀 ，停下来后，也不会出现油或气浮在上面，水或液体沉在下面的现象。

你只要轻轻一踮脚，人就会腾空而起，在空中自由地飞来飞去，前后翻滚，本领之大，远远 超过《卧虎藏龙》和《笑傲江湖》等影视中那些能“腾云驾雾，飞檐走壁”的大侠的水平。

上面描述的这种奇妙的，甚至有点荒诞不经的现象，不是神话，不是魔术，不是幻想，而是活生生的事实。不过，这个事实不是发生在地面，而是发生在太空中，发生在航天器上。其原因是，当一切物体在航天飞行时，它们的重量都不见了，这种现象叫做“失重”。

失重的机理

失重是航天飞行中最为奇妙独特和违背“常理”的现象，而且是在地面上最难再现和模拟的物理过程。人们在对这种现象感到无比有趣的同时，常常希望了解它产生的原因和机理。然而关于失重原因和机理存在着一些似是而非的，或者并不准确的解释。

科普读物上常见的有两种解释：一是“引力为零”；二是“离心力与地球引力相抵消，或相平衡”。

对于第一种解释，《太空探索》杂志2001年第4期《读者心声》栏目(第41页)中已有读者指出，这“是错误的”。该读者还告诉我们：“引力为零有两种情况：质量为零，或者距离无限远。”科学性是科普读物的灵魂。这位细心的读者指出了这一常见的错误，是值得我们科普刊物重视的。

首先应当指出的是，“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。在普通物理学中，定义物体重量的大小就等于它所受到的重力。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)。我们可以说 ，失重是零重量，但不能说零重力或零引力。

根据牛顿万有引力定律，一切具有质量的物体之间都存在着引力。两物体之间的引力与该两物体的质量成正比，与两物体间距离的平方成反比。在宏观世界，一般的物体的质量不够大，而相互之间的距离也不像微观世界那样小，所以，普通物体之间的引力微乎其微。只有当两个物体中至少有一个物体的质量达到宇宙天体那样大时，引力才显现出来。

通常，在地球表面及地球附近，物体受到的引力主要是地球的引力，亦称“重力”。实际上，物体还受到太阳和月球的引力，但与地球引力相比很小，可以忽略。至于太阳系内的其他行星和遥远的恒星，可以认为离我们已无限远，引力为零。

人造地球卫星等在太空中运行的航天器所受到的地球引力或重力，可以根据它们到地心的距离计算出来。假设一个物体在地面所受到的重力为1，它在距地面不同高度处，所受到的重力如下表所示。

由表中可知，在太空中运行的航天器所受到的重力绝不是零。当然，随着离地心越远，地球的引力越小。即使在离地面1万千米的高度上，引力还是地面上的15%。在离开地球远至384400千米的月球处，地球引力虽已减弱到万分之2.8，但照样能拽住月球，使它成为地球的天然卫星。

太空中，引力无处不在。如果一个物体飞到月球附近，距离月球在几千千米以内，这时物体所受到的引力主要是月球的引力了。如果再往远处飞，根据天体摄动理论，当物体离开地球的距离超过92万千米时，可以认为地球引力已经小到可以忽略(为零)了。但物体并没有完全摆脱引力的作用，而将在太阳引力的主宰下，以太阳为焦点，沿椭圆、抛物线或双曲线轨道运行。

第二种解释说“失重是由于物体的离心力与地球引力相平衡的结果”。这在科普书籍和科普报刊上更是屡见不鲜。这个解释是不准确的。

普通物理学告诉我们，所谓“力”是“物体或介质施加在另一物体上能使其改变形状或运动状态的作用”。力的存在必须有产生力的施主，而所谓“离心力”或“惯性离心力”的施主是不存在的。它只是一种为了便于分析计算(使牛顿定律在非惯性坐标系中仍能正确应用)而提出的一种假想力。离心力惯性力实际上并不作用在所研究的航天器上，所以它不能与其他作用在航天器的力(例如重力)保持平衡。

科普刊物上还常说：人造地球卫星不掉下来是因为物体围绕地球作圆周运动产生的离心力与地球引力相平衡的结果。如果事实如此，又怎么解释，有的航天器并不作圆周运动，而是做抛物线或双曲线等非封闭曲线运动，它们没有“离心力”作用，为何也不掉下来，也处于失重状态呢?

在太空中运行的人造卫星等航天器之所以失重，唯一正确的解释就是它们“只受到引力的作用，而没有任何其他外力的作用”。

假设地球没有大气层存在，即没有空气对物体产生作用力，那么，在地球表面及其附近，一切没有支承或悬吊的自由物体都是失重的。只要你随手抛出一个物体，不管向上、水平、或向下，一出手这个物体就失重了。人们可能知道，自由落体是失重的。但不一定理解，物体在自由上升阶段，也处于失重状态。例如，向上射出的炮弹，一旦离开炮口，从上升到下落，沿整个抛物线飞行过程中，全都处于失重状态(在没有空气的假设下)。

所以，在太空飞行的航天器，不论它是环绕地球作圆周、椭圆运动，还是离开地球沿抛物线或双曲线飞行，由于它们只受引力(无论是地球的、月球的、太阳的还是其他大小行星的引力)作用，因此，都处于失重状态。只有当航天器为调整姿态或修正轨道，开动发动机工作产生推力，或者到达有大气的行星，受到大气制动力，或喷气产生制动力时，才变成有重量的状态。

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。这是因为引力是一种“体力”，物体在引力的作用下内部所有质点均具有相同的速度和加速度。

平衡是我们最常见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，浮在水面，沉在水中，乘坐飞机等速飞行或乘坐气球升空等，都是处于力的平衡状态，但并不失重，因为在这些情况中，人体内部各部分之间都存在相互的作用力。

航天员在地面利用浸沉在水池中做模拟失重试验。这种水下试验，其实并不能真正模拟失重。因为人在水中，除受到地球引力外，仍受到水的浮力作用而保持平衡。只是平时人们所受到的支承力只作用在人体很小的表面，例如，站立时，脚底受力；坐着时，臀部受力；躺着时，半个身体表面受力；沉浸在水中时，整个身体表面受力，但是头、躯干、四肢以及身体内部的内脏、器官等都是有重量的，它们相互之间存在挤压或拉牵等作用力。

真正的失重模拟，应使人体各部分特别是体内器官、内脏之间相互作用力消失。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给中枢神经传输信号，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力消失，就会引起航天员初登太空时产生的那种头晕、恶心、呕吐等所谓“运动病”的症状。

航天员在地面水池中做模拟试验时，是不会出现这种“运动病”症状的。倒是人们在乘电梯开始下降的瞬间，或是在乘飞机飞行中，由于气流扰动使飞机突然下沉时，敏感的乘客往往会有心慌、头晕、恶心等不舒服的感觉。这就是瞬间的失重引起的。水池模拟试验只能模拟人的手足、身体因水的浮力而变轻的情况下，能否协调自如地完成机械装配、拆卸等操作。

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。航天器在调整姿态或修正轨道时，有发动机喷气产生的推力。

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。加速度的标准单位是米/ 秒 2，在航天动力学中，人们常将非引力产生的加速度与地面上的重力加速度来比较， 用地面重力加速度g(9.8米/ 秒 2)做单位。这种非引力加速度通常只及地重力加速度的万分之一(写成10-4g)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”。

航天器因受到外界的非引力作用力而产生微加速度或微重力，这一点比较容易理解。不易理解的是，航天器即使只受引力作用，它的内部实际上也存在微重力，原因是航天器不是一个质点，而是具有一定尺寸的物体。这个原因稍为深奥一些，需作进一步解释。

原来，人们研究航天器在引力场中的自由运动时，是把航天器看成质量集中在质心的一个质点。在一般情况下，由于航天器各部分到航天器质心的距离与航天器质心到地心的距离相比非常小，可以忽略不计，航天器各部分到地心的距离都等于质心到地心的距离，所以，航天器各部分的单位质量所受到的重力与质心处单位质量所受的重力相等，就是说，航天器的所有各部分都是以与质心相同的加速度在运动。把航天器看成质量集中在质心的质点的假设是成立的。

但是，当物体的尺寸增大，例如，航天飞机、空间站，以及未来的空间太阳电站、空间城等大型航天器，航天器上各部分到地心的距离不能再认为与质心到地心的距离是相等的：离航天器质心较远的部分，单位质量所受的重力与质心处单位质量所受的重力的差别就显现出来。这种差别就是航天技术中所说的“重力梯度”。由于单位质量所受重力不同，产生的加速度也不同，但这种差别是非常微小的。如果航天器内部有足够的空间，那么从航天器的质心看，在离质心稍远处的自由物体(或质点)会产生一个相对于质心的微小加速度，就好像有微弱的重力存在。这个微小加速度可以用精密的仪器测量出来，大小一般在10-6～10-4g，

人们就用这个数值来表示航天器中微重力的水平。微重力越小，失重越完全。如果航天器是个实心体，则各部分之间有微小的作用力。总之，失重状态只是理想情况，微重力才是实际情况。