书城科普不可思议的发现(走进科学丛书)
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第119章 超重和失重

在大型游乐场中,超级秋千、云霄飞车和勇敢者转盘等游乐项目最为惊心动魄,也最受人欢迎。玩过一回的人,都会体验到那种难得的刺激:飞车翻腾,忽上忽下,时而压迫感难忍,身躯好像要被挤扁似的;时而虚飘飘无依无托,仿佛正坠入万丈深渊。这让人心惊肉跳、失魂落魄的一分多钟时间,说得好听点是“花钱买感受”,说得难听点是“花钱买罪受”。

上面说的那种不寻常的感受,涉及超重和失重问题,这些现象归根结底是重力场或者说引力场里的现象。引力场是一种被赋予了物理属性的空间场地,它能吸引处于这种场地里的任何一个物体。它的基本特性是,所有处于场中的物体,不论它们的质量多大、带不带电荷,只要初始条件相同,它们就能在场中都以相同的方式运动。引力场理论与牛顿万有引力定律的原始表述的根本区别在于,消除了引力作用的瞬时性质和超距性质,而把物体之间的引力作用看成是由引力场这种媒介物质来传递的。

什么是超重现象和失重现象呢?举例来说,假如我们一边乘电梯上楼,一边在里面用磅秤称体重。此时人会受到竖直向下的重力和竖直向上的弹力。根据电梯运行的速度变化,磅秤上显示的重量,即视重,是不一样的。假如电梯匀速上升,磅秤上的视重就是人的实际重量即实重;假如电梯加速上升,磅秤上的视重就会超过人的实际重量,这就是超重现象;假如电梯减速上升,磅秤上的视重就会少于人的实际重量,这就是失重现象。类似的,假如电梯匀速下降、加速下降和减速下降,那么相应地人会处于实重、失重和超重3种状态。

一般来说,超重和失重,就是物体在竖直方向做加速和减速运动时,对支持物的压力或者对悬挂物的拉力不等于所受重力的现象。当加速度的方向向上时,即加速上升或减速下降时,出现超重现象;当加速度的方向向下时,即减速上升或加速下降时,出现失重现象。

我们向天上抛一块小石头,当小石头下落时,可以近似的把小石头看做是自由落体,它的加速度大约是10米/秒2,或者说每秒速率的改变为10,这叫做重力加速度(常用g表示),方向竖直向下。假如我们乘坐在一台以重力加速度的量值下降的电梯里称体重,此时磅秤上的视重就是零(按牛顿第二定律很容易算),这就叫完全失重状态。这只是打比方,实际上,任何一台电梯都不可能变成自由落体。不过,像玩蹦极游戏那样,用一根牢固而有弹性的绳子拴住人的脚或腰,然后从几十米的高空像自由落体似的往下跳,想必就能尝到完全失重的滋味。

超重和失重现象,在航空航天领域更是普遍存在。火箭在升空时,加速度可以达到重力加速度的10倍,即10g,导弹则可以达到30g。为了预防超重现象引起的损害,必须事先加固航天器的各部分器件。对于人来讲,一般人对超重的承受力为3.8g,飞行员由于经过训练,可以承受4.6g。处于超重状态的人,心脏所受的力也相应增大,心脏中的血液也处于超重状态,为了维持正常的血液循环,心脏的负担也就比平时要大得多。原本心脏就不太好的人,最好不要冒这种险。此外,人在超重状态下还会受到神经、代谢、内分泌活动紊乱的“超重生理反应”的困扰,严重的会因脑缺氧而导致记忆力丧失。

航天飞机在环绕地球的轨道上运行时,由于重力加速度会部分或全部地用来提供向心加速度,因而会处于失重或完全失重状态。这使得飞船里面的太空人的生活状态异乎寻常:他们不会发出打鼾的声音,因为失重,喉咙中的小舌头就不会下垂,也就不会因呼吸而引起振动发出鼾声。汤匙中的汤水不是想象的那样漂浮在空中,而是由于汤水的表面张力而附着在汤匙上。人出汗时,汗珠不会一滴滴地往下落,而只会汇聚在一起,融成一大团。

失重给宇航员们无疑会增加很多麻烦。稍为蓬松些的衣服就会膨胀起来,必须穿紧身衣才行;食物要装进牙膏式的管子,然后挤进嘴里;喝水要用有密封盖子的特殊吸管;睡觉要钻进特制的睡盒内,并用绳带锁定;行走要穿带有钩子的鞋,以便钩住网状的地面;洗头和洗澡显然更加麻烦,于是成了非常难得的享受。长期生活在重力场中的人,一旦失去重力作用时,体液的流动会受到失重的影响,血液循环、心脏系统、泌尿系统都会出现反常变化。在太空中生活时间过长的人,还会出现骨质疏松、肌肉萎缩无力、红血球减少等症状,严重影响身体的健康。

在人类还没有进行航天飞行之前,爱因斯坦提出过这样一个问题:“在失重的条件下(如在宇宙飞船中),能点燃蜡烛吗?”他自己回答说不能。他的理由是,处于失重状态下的空气不再受到重力,蜡烛燃烧时,热空气不再上升,冷空气也不再下降,于是蜡烛被燃烧过的热空气所包围,烛芯就得不到氧气的补充,因而很快就会熄灭。人们为了检验爱因斯坦的推测,做了不少实验。例如,在一只氧气供应充足的密封容器中放入点燃的蜡烛,并让这个容器从70米高的地方自由下落,以此造成一个失重的环境。结果呢?蜡烛并没有熄灭,只是烛焰比平时暗淡一些,并且烛焰的形状是个球形的。这次爱因斯坦为什么错了呢?原来,他忽略了空气热运动的存在。即使没有对流,含有氧气的新鲜空气仍然可以通过扩散到达烛芯,维持蜡烛的燃烧。只是烛焰因为没有冷、热空气的对流而暗淡一些。同时,由于失重,空间的各个方向是各向同性的,因而烛焰是球形的。宇宙飞船上天之后,苏联的科学家在“联盟8号”飞船上顺利地进行了焊接工作,证明了在失重条件下,的确能够维持燃烧。爱因斯坦居然也有错的时候,这就应了我们中国的一句老话:“智者千虑,必有一失。”