引入
坐电梯上升时,为什么感觉身体变重?
为什么宇航员在空间站里“飘”起来,明明还有重力?
“失重”是不是意味着重力消失了?
超重和失重描述的是视重的变化,不是重力本身的变化。理解这一点,就能解释电梯、过山车、空间站的很多现象。
正文
定义
视重是物体对支持物(或对悬挂物)的压力(或拉力)大小。超重和失重指视重比重力大或小。
超重
定义
超重是视重大于实际重力的状态,条件是物体有向上的加速度。
设支持力为 ,由牛顿第二定律:
| 情形 | 加速度方向 | 视重 |
|---|---|---|
| 电梯加速上升 | 向上 | |
| 电梯减速下降 | 向上 |
关键:超重的条件是加速度向上,与速度方向无关。减速下降时速度向下,但加速度向上,同样超重。
失重
定义
失重是视重小于实际重力的状态,条件是物体有向下的加速度。
| 情形 | 加速度方向 | 视重 |
|---|---|---|
| 电梯加速下降 | 向下 | |
| 电梯减速上升 | 向下 | |
| 自由落体 | 向下, | (完全失重) |
完全失重
当 且方向向下时:
物体对支持物完全没有压力,这就是完全失重。
| 场景 | 是否完全失重 | 原因 |
|---|---|---|
| 自由落体的电梯 | 是 | |
| 绕地球飞行的空间站 | 是 | 向心加速度等于 |
| 抛物线飞行的飞机 | 短暂是 | 只有重力作用 |
| 站在地面上 | 否 |
空间站里的“失重”不是没有重力。空间站和里面的物体都绕地球做圆周运动,向心加速度恰好等于该高度的重力加速度,所以物体对舱壁没有压力。重力仍然存在,只是全部用来提供向心加速度。
视重与实重的区别
| 概念 | 定义 | 是否变化 |
|---|---|---|
| 实重 | 在同一地点不变 | |
| 视重 | 支持力或拉力 | 随加速度变化 |
体重秤显示的是视重。在加速上升的电梯里称重,读数会变大;在自由落体的电梯里,读数会变成零。
失重环境的影响
| 现象 | 原因 |
|---|---|
| 水珠呈球形 | 表面张力主导,无重力压扁 |
| 蜡烛火焰变圆 | 无浮力对流,燃烧靠扩散 |
| 骨骼肌肉流失 | 无需对抗重力 |
| 液体无法自然流出容器 | 没有重力驱动 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “失重就是重力消失” | 重力仍在,只是视重减小 |
| “向上运动就超重” | 看加速度方向,不看速度方向 |
| “完全失重时物体不受力” | 仍受重力,只是没有支持力 |
| “失重只发生在太空” | 自由落体、过山车都能体验 |
引出
为什么在加速下降的电梯里,单摆的周期会变化?
空间站中的对流消失,如何影响燃烧实验?
超重和失重对心血管系统有什么影响?