失重环境

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太空授课学习笔记：微重力环境从何而来

微重力环境从何而来

为何人在太空舱中能到处飘浮，而在地面上不借助工具却怎么也飘不起来？

这是因为地面上的重力把我们牢牢“绑”在地球上了。

学过中学物理学的人都知道，凡是物体都有质量，而质量是其固有属性，从

物理学角度看来，是物体惯性的一种量度；大家还知道，空中落下的物体会经受

重力加速度，在厘米克秒单位制中常用的近似值为980厘米/秒2，在地球上的

各处，重力加速度有微小差别。重量是物体所受的重力，其值是物体的质量乘以

重力加速度，同一物体在地面各处的重量会有些许差别。

然而，倘若脱离了地球，跑到别处去，情况就不一样了，比方说，人到月球

上后，重量变成地球上的重量的六分之一，因为月面上的月心引力是地面上的地

心引力的六分之一。会跳高的青少年朋友在地面上一般能越过1米高度吧！那么

一到月面，就能轻松地越过6米。设想一下，有一艘巨大无比的飞船，在神舟十

号轨道上飞行，里面设一个跳高场地，随便哪个瘦弱小子在那里纵身一跳，就能

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跳出十万八千里，比神话中的孙悟空还有能耐。

这是为什么？

因为在太空舱里有微重力环境，“重力”微乎其微。我们就从微重力环境说

起吧！

什么是微重力？简单地说，它代表一种受力环境，在该环境中的有效重力水

平极低。低到什么程度？低到有效重力水平为地球表面重力的百万分之一，严格

地说，这才算是微重力。目前对微重力有许多广义的理解，常把微重力理解为微

小重力或低重力，有时衡量标准也稍稍放松一点，例如，在后面要提到的落塔试

验中，有效重力水平达到地面重力的十万分之一，就算是微重力状态了。

实际上，在浩瀚的太空中，微重力环境是广泛存在的。比方说，在太阳系中，

远离地球而不靠近其它星球的地方，重力就很微弱。根据牛顿300多年前总结出

来的万有引力定律，在地球上空的单位质量的物体所受的重力大小为：

地面上的重力加速度×地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平

方

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假如离地面的高度为零，单位质量的物体的重量的大小就是地面上的重力加

速度的大小；由此可知，单位质量的物体所受的重力随着离地面高度的增加而减

小，减小的因子为：

地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平方

如果物体离地面的高度是地球半径的许多倍，可以近似地把这个因子取成：

地球半径的平方÷物体离地面高度的平方

如果这个因子小到百万分之一，就把相应的环境称为微重力环境。离地面

1000个地球半径的高度就处于这样的环境。经常把这种环境称为“失重”环境，

实际上，这时重力还存在，加上还有各种次级力的作用，要达到绝对失去重量的

状态是不可能的，只能获得大体上的失重环境。例如，在离地面1000个地球半

径的高度，原先正常体重的人会变得像一粒药片那么重，不飘飘然才怪呢。不久

前，到火星去旅行或定居曾是热议的话题，倘若发射航天飞行器到火星上去，是

一个漫漫长途，得耗时7个月有余。据查，火星与地球的距离最近约为5576万

公里，最远超过4亿公里，在行程过半，尚未到达火星，也不靠近其它星体时，

就会出现这样的微重力情况。

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细心的朋友会问，神舟十号的轨道离地面的高度约为200~360公里，太空舱

里怎么会有微重力环境呢？这是因为，人们把空间飞行器发射到地球空间并绕地

球作周期运动时，地球引力与空间飞行器运动时产生的离心力相平衡，在飞行器

中也造成“失重”环境。人们对离心力并不陌生，中学物理学中就学过。在物体

做圆周运动时就会产生离心力，在日常生活中也经常遇到。例如，在坐“过山车”

时，车在圆形轨道上疾行时就能感受离心力的存在。航天飞行器绕地球作近似的

圆周运动时，所产生的离心力就与重力彼此抵消。于是乎，我们在王老师授课时

就会看到多姿多彩的失重现象。

一般说来，在一个局部运动坐标系中，重力可以被某种力抵消，物体就受一

种有效重力的作用，经常用有效重力与地面重力之比来度量参考系中的重力水平。