失重现象的物理原理揭秘

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问埃坦：为什么宇航员在地球引力范围内仍然感觉失重？

在地球表面，我们以1g的加速度（9.8米秒²）加速。在轨道上，加速度也仅略小一些。那么，为什么宇航员会感到失重呢？

这里展示的两名宇航员在国际空间站上体验失重状态，共同演示了角动量守恒定律。作为旋转对称性的一种结果，其中一名宇航员旋转得更快，仅仅是因为另一名宇航员的身体对其施加了一个力矩。传递给旋转宇航员的角动量总量被传递回另一个宇航员空间站系统的相等且相反的角动量所抵消。图片来源：美国国家航空航天局国际空间站

在地球上，重力加速度几乎是一个恒定值，约为1g，即9.8米秒²，其变化幅度极小，仅占地球表面总变化的0.7%。只要你在地面上，你的体重就是你的质量乘以这个加速度。然而，如果你作为一名宇航员进入太空，无论是在距离地面几百公里的近地轨道上，还是在前往月球途中远离地球数十万公里的地方，你都会处于完全失重状态：你的体重为零。但是，无论是在近地轨道还是在离地球中心更远的地方，你仍然会受到地球引力的作用而产生加速度。既然加速度并不为零，那么为什么宇航员会感到失重呢？

如果你站在地球表面，无论是在加速度最大的北极，还是在海拔最高的瓦斯卡兰山顶，你都会受到一个大小为9.8米每二次方秒的向心力作用，这个力就是重力加速度，也就是地球表面的1g。当然，由于你与地心的距离、地球自转速度以及地壳和地幔的密度与组成并不恒定，实际的重力加速度会有一些微小的变化，但这些变化通常只会在不到1%的范围内波动。

这就是为什么，如果你在任何地球表面地点携带秤并在其上站立，秤的读数即为从简单的公式得出的你的体重，即其重量为零。这是格拉姆克雷想要了解的原因。

重力随距离源点越远而减弱，这是自然规律。如果某处的引力为X，当距离源点的距离增加一倍时，引力将减小为¼X。因此，我的理解是：地球的引力应从地球中心起算。在海平面处，我距地心约4000英里。若我在海平面处体重为160磅，再向远离地心方向移动4000英里，体重应变为40磅。但实际情况是，航天器仅在海平面以上约100英里处运行时，其中的人员即处于失重状态，这是为什么？

Thissimplesoundingquestionisactuallyquiteprofound,andgetsattheheartofwhattherelationshipbetweenaccelerationandweightactuallyis.Let’sfigureitouttogether.这个听起来很简单的问题其实相当深刻，它触及了加速度与重量之间关系的真正核心。让我们一起来弄清楚吧。

这种秤利用内部弹簧来平衡放置在秤盘上的物体所受的重力。弹簧的压缩量取决于物体施加的向下作用力。当物体的质量或其加速度发生变化时，秤的读数也会随之改变。

无论你身处地球上的何处，重力加速度的数值都是约9.8ms²。然而，你实际的加速度并不总是这个值事实上，此时你很可能并未以该加速度向下运动。如果你正坐在椅子上、双脚站在地面上，或平躺在床或沙发上阅读这段文字，那么你的加速度很可能为0ms²。你并未在运动中加速，此刻也没有朝向地心方向下落。相反，你正保持静止于原地。

但你也可以主动感受你的体重。例如：

当你坐着时，你能通过所坐的座椅感受到自身的重量，即椅子向上托举着你；当你站立时，你能通过双脚感受到自身的重量，即地面透过鞋底向上支撑着你，使你不会下陷；当你平躺时，你能感受到身下接触的表面正向上托举着你的身体。

换句话说，尽管重力作用在你身上——毕竟引力是普遍存在的——但由于下方有一块坚实的地面在支撑着你，你的加速度为零。

在图片中，一个人保持静止状态，其合加速度为零。重力向下拉扯他，力度等于他的质量乘以地球的gravitationalacceleration（重力加速度），而地球则向上施加一个大小相等、方向相反的力，即法向力，使他保持静止。 CreditAzizaziz1919pxhere

在牛顿力学框架下，你保持静止并非因为受到等大反向的力对抗重力（即支持力），而是存在一个垂直于接触面、与重力方向相反的法向力。对于平滑平面的物体，重力仅施加向下的拉力，而表面则施加与重力方向相反、大小相等的向上压力，使整体所受合外力为零，因此你保持静止，且不会向地球中心靠拢。

社交媒体的解药

但确实存在一种方法可以完全消除该法向力。

当你从高处跳到下面的地面时，当你从地面垂直上下跳跃时，当你skydive从飞机里跳下时，或当你玩秋千时从座位上跳下来。

在自由下落的所有情况下，只要仍处于自由下落状态，重力依然作用于您，只不过只是短暂地，您感到了失重。

在这里的地球上，在我们星球的引力场中，我们无法"屏蔽"地球引力的影响，因为没有引力负电荷质量能量形式。这个封闭的房间经历自由落体条件，房间内的观察者相对于其周围环境体验不到净加速度。从房间内部来看，人们无法判断自己是静止还是匀速运动，只知道相对于周围环境的加速度为零，因为体验到的是失重感。来源：吉姆坎贝尔

有一种感觉与那种失重状态相关：你的胃部仿佛升到胸口，带来一阵恶心和不适，这种感觉常常让人联想到胃里像有蝴蝶飞舞那样微妙的悸动。你不仅在摔倒或跳跃时会感受到它，坐过山车、汽车快速驶过不平路面的凸起时，甚至像上文提到的那样，当飞机突然关闭引擎、进入数秒的自由落体状态时，也会体验到这种感觉。美国宇航局的宇航员训练机，俗称呕吐彗星，正是通过这种方式来模拟失重环境的。

这背后存在生理学原因。当你静止于地面时，无论是坐着、站着还是躺卧着，地球引力不仅作用于你的整个身体，也作用于你体内的所有器官。你在地面上保持稳定、不发生加速度时所达到的平衡状态，源于身体各组成部分均受到指向地心的重力作用，同时身体下方相邻的组织结构则向上施加反作用力。你所感知到的平衡姿态，正是在地球重力向下拉拽身体各个部分的同时，由坚实的地面（以及其上承载的物体）提供向上的正常支撑力与恢复力所共同形成的。

这张图片展示了一名在接近地球表面自由下落的人。他们仍然以1g的加速度朝地心下落，但由于没有支持力作用于他们，因此在从拍摄此照片的瞬间到接触水面的短暂时间内，他们实际上处于失重状态。

如果你继续堆叠物体——向上，再向上，再向上，再向上——直到你距离地球中心数百公里甚至数千公里的地方，当你站在那个巨大的行星超级结构顶端时，你会感受到什么？

只要仍存在一种正常的恢复力，阻止你进入自由落体状态——即开始以当地重力加速度向下加速的状态——那么你的体验将与当前在地球表面时基本相同。唯一的显著区别在于，由于你距离地心更远，而引力遵循平方反比定律（即两物体之间的引力与它们之间距离的平方成反比），因此所感受到的有效引力及其对应的有效重力加速度会相应减小。

100公里向上（地球上层钠层），你的加速度约为9.5米秒²， 400公里向上（近ISS），你的加速度约为8.7米秒²， 600公里向上（如Starlink卫星），你的加速度约为8.2米秒²， 1000公里向上（紧邻内范艾伦辐射带），你的加速度约为7.3米秒²， 2000公里向上（中地球轨道），你的加速度约为5.2米秒²， 6371公里向上（距地球半径1个单位），你的加速度约为2.4米秒²。

您的体重相当于您的新加速度除以地球表面的重力加速度。

无论是一座摩天大楼、一座高塔，还是一个连接地球表面与高空平台的巨型结构，站在该结构顶端的人会受到朝向地球中心的加速度作用，而结构本身则会向上施加支持力，从而产生人所感受到的重力。

然而，站在与地球表面相连的平台上，与在相同高度实际处于轨道运行或自由落体状态，是截然不同的两种情形。一种理解方式是：地球自转一周所需时间约为24小时，赤道处的地球半径约为6378千米；在地球表面赤道位置，一个静止于地面的物体随地球转动的线速度约为1670千米小时（约1040英里小时）；当高度增加时，该物体只是离地心更远，随之沿地球自转轨迹所划出的圆周路径略大一些而已。

对于刚才讨论的相同高度：

100公里对应的速度为1696公里小时， 400公里对应的速度为1775公里小时， 600公里对应的速度为1827公里小时， 1000公里对应的速度为1932公里小时， 2000公里对应的速度为2194公里小时， 6371公里对应的速度为3340公里小时。

这些速度比地球赤道上的人移动速度略快一些，但并不显著。然而，所有这些速度与实际绕地球运行的卫星速度相比都极其缓慢。例如，国际空间站上的宇航员，其轨道高度约为400公里，他们的移动速度约为每小时27,600公里，比位于相同高度且与地球相连的平台上的人员快十倍以上。

大量空间碎片以及运行中和已失效的卫星出现在太空中，其中多数卫星位于近地轨道和地球同步轨道上。这些卫星虽然持续向地球中心加速，但由于没有支撑力或恢复力作用，因此处于失重状态。图片来源：欧洲航天局

在卫星的情况下，它的运动速度非常快，即使相对于它所环绕的行星质量而言也是如此。重力加速度使它沿着椭圆轨道运行，但这个轨道并不会与行星表面相交。就像月球围绕地球做自由落体运动一样，地球轨道上的卫星也是如此。尽管它始终受到地球引力的作用，不断向地心加速，但由于其高速运动，它能够保持稳定的绕地轨道。因此，卫星及其上的所有物体都处于自由落体状态。

国际空间站目前是环绕地球运行的最大、质量最大的人造卫星，配备有大型太阳能电池阵列以及尺寸相当的散热器，用于将产生的热量辐射到太空中。尽管空间站绕地球运行，而地球又绕太阳运行，太阳系则绕银河系中心运行，整个银河系还在宇宙中高速运动，所有这些运动都使空间站处于持续的加速状态，但其上的宇航员却体验到失重状态。

另一种理解方式是，把我们整个太阳系的核心天体——太阳——看作是一个质量超过地球30多万倍的巨物。地球以及地球上的一切，还有围绕地球运行的所有物体，实际上都在围绕太阳公转。地球绕太阳运行的速度远远快于卫星绕地球运行的速度：大约每小时107,000公里，也就是每小时67,000英里。

在更宏大的尺度上，太阳和整个太阳系围绕银河系中心运行，距离银河系中心约26,000光年。总体而言，这些速度甚至超过了地球绕太阳公转的速度，因为整个太阳系相对于银河系中心的运行速度约为每小时79万公里（每小时49万公里）。

还有更快的速度：银河系在本星系群中运动，而本星系群相对于宇宙的哈勃流以每小时226万公里（约每小时140万英里）的速度移动。但我们并不会感受到这种运动，原因在于相对性原理本身。你无法体验绝对运动，只能感受到相对于某个参考系的运动。

牛顿大炮的示意图，展示以低于逃逸速度（AD）和高于逃逸速度（E）发射的抛射体。在轨迹A和B中，地球位于路径中间，使我们无法看到抛射体完整轨迹。场景C为完美圆形轨道；场景D为稍具偏心率的椭圆轨道；而场景E为无界轨道，其轨迹呈现双曲线的一部分。达到稳定轨道（C）需速度7.9公里秒，而要脱离地球引力（E）则需11.2公里秒的速度。图片来源：BrianBrondelWikimediaCommons

宇航员处于失重状态的原因是他们未与地球相连，且不存在任何固体表面施加的反作用力。他们相对地球处于加速状态，而他们所处spacecraft的加速度与其相同。

1.作为宇航员在呕吐彗星中， 2.作为人类在电梯因电缆断裂而开始下降的环境中， 3.作为跳伞运动员，在从飞机上跳下之前，先获得一定的速度并克服空气阻力， 4.或者作为游乐园坠落塔游乐设施中的乘客。

这也和宇航员完全在航天器外自由漂浮（或自由下落）在太空中相同，他们只受到各种引力的影响而被加速。只要宇航员自身没有受到任何推力或推进力的作用——没有任何会使他们感受到相对于宇航服的加速度的情况——他们就不会"感觉到"自己的加速度。这并不意味着他们没有在加速，而是说他们不会将其感受为重量。

这张图片展示了2008年加拿大国家展览馆的超级下降跳楼机，乘客在失重状态下自由下落，由于重力作用，他们暂时感觉不到座椅的压力。图片由IanMuttoo拍摄，版权属于flickr。

如果我们回到最初的情形——即你静止地站在地球表面——我们遇到的最普遍误解之一是：体重是我们自身固有的属性；实际上，体重是指你所处的支撑面（无论是地板、座椅、沙发、床等）为阻止你下落而对你施加的作用力。

如果你进入电梯并站在秤上，当电梯向上加速时，你会看到体重读数增大，这是因为向上的加速度导致脚底所受的支持力大于你的质量乘以重力加速度。（这是合理的要使你获得向上的加速度，必须存在一个方向向上、大小为正的合力）同样地，当电梯向下加速时，你会看到体重读数减小，因为向下的加速度导致支持力小于通常情况下的数值。如果你理解到了这一步，恭喜你你对重量概念的理解已超过绝大多数人，包括不少物理教师。在缺乏支持力的情况下，一切物体都会处于失重状态，无论其质量大小或加速度如何。

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