衛星裏的物體和衛星做同壹個圓周運動,引力(萬有引力)起向心力的作用。此時衛星中的物體看似沒有重力(其實重力還在),在沒有支架支撐的情況下可以相對衛星靜止(表觀重量為0)。
在電視上看到人和東西漂浮在空中,完全是失重狀態。
完全失重——什麽是失重?
物體對支架的壓力小於物體的重力的現象稱為失重。也就是說,表觀重量小於實際重力。當近地物體加速度向下時,其實際表觀重量小於實際重力,所以我們稱之為失重。當物體以加速度G向下加速時(自由落體),我們稱之為完全失重。
拿起壹個裝滿水的杯子,把杯口放下,水卻沒有流出來;突然松手,杯子沒有掉下來,而是穩穩地停在半空中...
完全失重狀態下的宇航員
電影《臥虎藏龍》中,大英雄們“騰雲駕霧,飛檐走壁”的特技,在太空飛行中簡直是小菜壹碟。只要輕輕壹按腳,人就會在空中自由飛翔,其技巧超乎人們的想象。
所有這些現象就是人們通常所說的失重。它的機制是什麽?
原來所有物體在太空飛行時,重量都沒有了。這種現象被稱為“失重”。首先需要指出的是,“失重”是指物體失去重量,而不是重力。重量是物體對與其周圍接觸的物體或介質施加的作用力。引力是地球(或其他天體)對物體的吸引力。重量與重力既有聯系又有區別。重量的消失(等於零)並不意味著重力或引力的消失(等於零)。也就是說,失重就是零重量。
失重物體的特性:判斷物體是否失重的壹個最重要的標誌是物體內部各部分和粒子之間沒有相互作用,即沒有拉力、壓力、剪切力等應力。
完全失重-分析
當太陽系中的航天器(或人造衛星)只在引力作用下運動時,其質心相對於太陽系質心坐標系的加速度a不為零,等於航天器的引力與質量之比,即等於航天器所在引力場的強度。
以航天器質心為原點,坐標軸指向某些遙遠的恒星,建立的坐標系稱為航天器質心坐標系。在航天器質心坐標系中,牛頓第二定律應適用於質量m在其內或附近的物體。原則上應該引入等於(-mA)的慣性力。由於引力(mA)和慣性力(-mA)的矢量和恰好為零,在航天器質心坐標系(坐標軸指向遙遠的恒星)中,當非慣性系牛頓第二定律作用於航天器或其內部或附近的物體時,慣性力和引力都可以忽略。在這個非慣性系中,物體似乎失去了壹切。
完全失重的概念使人想起只受重力作用的物體質心坐標系的特殊性質。
完全失重-壹個生活的例子
電梯裏也會有完全失重。
當電梯只受重力時,如果將牛頓第二定律應用於電梯質心坐標系中的電梯或電梯內的物體(以及電梯外的物體,如電梯下數米的土壤)(最好定義為其坐標軸指向遙遠的恒星,其相對於地面的平移是可以接受的),那麽電梯和電梯內的物體似乎失去了地球和其他天體施加的重力(實際上是慣性力平衡的)。
當兩塊磚疊在壹起,做壹個平拋運動或自由下落時,如果在磚形心坐標系中對每壹塊磚都應用牛頓第二定律,那麽這塊磚就好像失去了重力(其實慣性力正好與重力平衡),這也叫完全失重。在磚形心坐標系中,每塊磚都處於靜止狀態,受力平衡與否;磚塊是完全失重的,因此,兩塊磚塊之間沒有壓力。
根據上面的定義,完全失重的概念適用於只靠重力運動的物體的質心坐標系中質心附近物體的動力學分析。
完全失重-物理現象
人造地球衛星、宇宙飛船、航天飛機等航天器進入軌道後,裏面的人和物都會處於失重狀態。飛船進入軌道後,可近似視為繞地球做圓周運動,圓周運動中物體的速度方向壹直在變化,所以有加速度,這個加速度等於衛星高度的重力。這和隨著重力加速度下降的電梯發生的情況類似。飛船裏的人和物處於完全失重狀態。
完全失重狀態下的現象
妳能想象失重狀態下會發生什麽嗎?想象壹下地球上壹旦重力消失會發生什麽,飛船裏會發生什麽。物體會漂浮在空氣中,液滴會是絕對的球形,氣泡會使液體中漂浮著汙泥和濁水。宇航員站著睡覺和躺著睡覺壹樣舒服。走路要小心。稍有不慎,就要把“上不了天,下不了地”的食物做成牙膏壹樣的塊狀或糊狀,防止食物的碎屑“飄”在空中,進入航天員的眼睛和鼻孔...妳可以繼續發揮妳的想象力,舉出更多的現象。
再想想,人類失重能做什麽?這裏有幾個例子可以幫助妳思考。雖然這裏引用的例子還沒有完全實現,但科學家們正在努力探索,並可能在不久的將來實現。
在失重條件下,熔融金屬的熔滴形狀絕對是球形,冷卻後可以變成理想的球。在地面上,現代工藝制造的球並不是絕對的球形,這是軸承磨損的重要原因之壹。
玻璃纖維(直徑幾十微米的極細玻璃纖維)是現代光纖通信的主要組成部分。在地面上是不可能做出很長的玻璃纖維的,因為在液態玻璃纖維凝固之前,它會因為重力而被拉成小塊。在太空的軌道上,將會制造出數百米長的玻璃纖維。
在太空軌道上,可以制造壹種新的泡沫材料?金屬泡沫。在失重條件下,向液態金屬中通入氣體,氣泡不會“浮”也不會“沈”,而是均勻分布在液態金屬中,凝固後成為泡沫金屬,這樣就可以制成像軟木塞壹樣輕的泡沫鋼,用作翅膀,既輕又堅固。
同理,在失重條件下,可以將混合物混合均勻,從而制成在地面上無法獲得的特殊合金。
電子工業、化工、核工業等部門對高純材料的需求越來越大,純度要求為“六個9”到“八個9”,即99.9999%-99.999999%。在地面上,金屬冶煉需要在容器中進行,被冶煉的金屬中總會混入壹些微量元素。在太空中,失重條件下進行“懸浮熔煉”,不需要容器,消除了容器對材料的汙染,可以獲得純度很高的產品。
在完全失重狀態下玩電子遊戲
電子技術用的晶體在地面上生長時,由於重力的影響,晶體的大小受到限制,並且受到容器的汙染。在失重條件下,晶體生長均勻,生長出來的晶體大很多。在不久的將來,如果能在太空建立工廠,生產出比現有矽晶體優越得多的砷化鎵純晶體,將會引起電子技術的重大突破。
在太空失重的條件下,會生產出壹系列地面難以生產的產品。建造太空工廠不再是幻想。
人類在太空建造永久性建築的可能性越來越大,太空工廠將被列入第壹批太空建築。沒有重力的約束,在高真空的特殊條件下,太空工廠將成為制造壹些地球上無法制造的稀有產品的理想場所。航天飛機把原材料送到太空工廠,或者利用太陽系各行星的資源制造加工所需產品,然後運回地球。由於太空中沒有冷熱對流、遮光、沈澱等現象,太空工廠制造的藥物純度比地面制造的至少高5倍,制藥速度快400倍。
完全失重-論微重力的概念
牛頓
完全失重是壹種理想狀態。在實際的太空飛行中,航天器除了重力之外,還會時不時地受到壹些非重力的外力。比如有地球附近殘留大氣的阻力,有太陽光的壓力,有進入大氣層行星時對它的大氣作用力。根據牛頓第二定律,力作用於物體的結果是使物體獲得加速度。飛船在引力場中飛行時,非引力壹般很小,加速度也很小。這種非重力加速度通常只有地面重力加速度的萬分之壹甚至更少。為了與正常重力相比較,這種微加速現象被稱為“微重力”。事實上,即使飛船只受到重力作用,其內部其實也存在微重力,因為飛船不是壹個粒子,而是壹個具有壹定大小的物體。
人們常用10-6-10-4g來代表航天器微重力水平。微重力越小,失重越完全。總之,失重只是理想狀態,微重力才是實際情況。
完全失重的定量分析:
當a = g時,支撐力為n,由牛頓第二定律可知:
毫克-氮=毫安=毫克
所以n = 0
根據牛頓第三定律,物體對支架的壓力為零。
完成失重相關的測試和訓練
乘電梯體驗完全失重。
找壹個用過的易拉罐或者塑料瓶,在瓶底附近打壹個小洞,用手指捏住洞,裝滿水,移開手指,水就從洞裏出來了。很明顯,大氣壓P0加上液體重量產生的附加壓力ρgh大於孔外大氣壓,所以水就會從孔中出來,然後塑料瓶就會自由下落,這樣在下落過程中水就不會從孔中流出。
在教學中,準備這個實驗時,找壹個空塑料瓶,在靠近瓶口的側壁上打壹個直徑2mm的孔,在靠近瓶底的側壁上打壹個直徑1mm的孔。實驗時,先用透明膠把空瓶底部附近的洞粘住,然後把瓶子裝滿水。因為有透明膠,水不會流出來。當透明膠被拉開時,水會從孔中噴出。
這個失重演示實驗是可操作的。妳可以在家完成這個實驗,體驗水的“完全失重現象”。但是,這個失重實驗很容易成功,但是老師在課堂上演示這個實驗的時候有幾個問題:
1的高度。2m讓塑料瓶自由下落,下落時間不到1秒。由於水是無色的,後面的同學不確定水是否在短時間內流出。
2.透明膠粘在小孔上,水還是很容易滲透進去,給老師操作帶來困難。
3.塑料瓶掉下來,學生很容易理解慣性,認為瓶子掉下來的速度比水快,所以水不會流出來。
處於完全失重狀態的人
改進
塑料瓶靠近瓶口的側壁打孔改為瓶蓋打孔,靠近瓶底的側壁打孔改為打孔20個。實驗中,註滿水,擰緊瓶蓋,用手握住頂孔。因為大氣壓力,水不會流出來。如果放開瓶蓋上的手指,水就會從20個孔裏噴出來。如果在高處松開手,塑料瓶就會自由下落。在下落的過程中,所有施加在水面上的重力都會產生G,所以不會有額外的壓力ρgh,“完全失重”的水不會從孔中流出,壹開始會從20個孔中噴出。反差很大。另外,為了增強實驗效果,還可以在水中滴幾滴紅墨水,這樣無論坐在哪裏,失重實驗的現象都壹目了然。
(2)擴張
失重實驗還可以說明“物體是否超重或失重是由加速度的方向決定的,而不是由速度的方向決定的”,瓶子掉下來水不流出來的原因不是慣性。
老師們可以設計這樣壹個問題:當塑料瓶被垂直拋出時,水會從小洞裏射出嗎?有的同學會給出錯誤的答案:上升階段有水噴出,回落階段沒有水噴出。
然後讓學生自己做實驗來糾正自己的錯誤觀念,把裝滿水的塑料瓶扔得高高的。發現上升和下降階段都是不漏水的,甚至瓶子可以隨便往任何方向扔,現象都是壹樣的。最後得出“物體減速上升,加速下降時會失重”和“物體有向下加速度時,無論運動到哪裏都會失重”的結論。如果這個加速度的值等於G,就完全失重了。”
模擬培訓:
失重飛機中的模擬訓練
失重訓練是通過使用失重飛機完成的。可以完成拋物線飛行,形成微重力時間15-40秒。宇航員可以感受、體驗和熟悉失重環境。在失重的時間裏,他們可以做各種實驗,比如吃飯、喝水、穿衣服、閉眼、睜眼,甚至可以把壹個艙搬進機艙,還可以在失重的時間裏進行人爬出艙的實驗,訓練在太空中的出艙活動。
美國的小型失重飛機有T-33和F-104改進型失重飛機。大型失重飛機有KC-135和PC-9,蘇聯/俄羅斯用Il -76改裝的大型失重飛機微重力時間約30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。中國曾經將殲5改裝成壹架小型失重飛機。
在地面上,還可以利用中性浮箱產生的漂浮感,模擬訓練航天員在失重狀態下工作和保持。中性浮箱模擬失重的原理是當人體浸入水中時,通過增加或減少配重和浮子,使人體的重力和浮力相等,即中性浮力,從而獲得模擬失重的感覺和效果;但它並沒有消除重力對人體及其組織的影響,所以它與真正的失重環境是不同的。目前,這種方法主要用於航天員出艙活動的訓練。壹般將1: 1飛船放入水箱,航天員穿上改造後的艙外航天服,模擬出艙活動程序,訓練技能。