失重和超重

桂濤++++陳雪峰

還記得“神十”航天員王亞平在2013年6月20日的太空授課嗎？那些在地球上根本不可能出現的場景在太空中是不是有神奇的呈現！如圖1就是王亞平和航天員們在“神十”機艙里的情形：人像氣球一樣懸浮于機艙中的任意位置.這種情況就叫失重.

什么是失重和超重

什么是失重呢？在這里我們有必要對重力進行一下回顧：由于地球的吸引而使物體受到的力，叫作重力，這個重力的大小在數值上的表現就是物體相對地球處于靜止狀態時彈簧測力計的示數，這個數值也可以稱作視重（如圖2）.也就是測量儀器測得的數據.

失重其實就是物體受到的拉力或支持力小于自身所受重力的現象，也就是視重小于實際所受重力，與之相反的超重則是物體受到的拉力或支持力大于自身所受重力的現象，也就是視重大于實際所受重力，

因此，當我們受到的支持力小于自身所受的重力時，我們就處于失重的情況，當我們受到的支持力大于自身所受的重力時.我們就處于超重的情況.

值得注意的是，無論物體處于超重還是失重狀態，地球作用于物體的重力始終存在，大小也沒有發生變化.只是物體對支持物的壓力f或對懸掛物的拉力1發生了變化，看起來好像物體所受的重力有所增大或減小.

失重和超重現象

失重和超重現象在航空航天中是最尋常的事情.在發射航天器時，所有航天器及其中的航天員在剛開始加速上升的階段都處于超重狀態，他們對其下方物體的壓力（或下方物體對其的支持力）是其自身所受重力的幾倍：而當航天器進入軌道后.其中的人和物體又處于失重狀態.此時他們對其下方物體將沒有壓力，所以當航天器在太空中飛行時.航天器中的物體就可以處于一種飄浮狀態.

說到這里.你可能覺得失重和超重只是在航天的高科技中才會有，似乎離我們很遠，那你就錯了，失重和超重現象在生活中都非常常見.在乘坐電梯上升或下降時，你有沒有跟靜止在地面上時不一樣的感覺？當電梯突然上升時（上升的瞬間）.我們就處于超重的狀態，這時電梯對我們的支持力就大于我們自身受到的重力.這時我們會覺得從腳底下傳來一股強大的力向上推我們，當電梯加速上升或減速下降時.我們也處于超重的狀態.如果電梯突然下降時（下降的瞬間），我們就處于失重的狀態，這時電梯對我們的支持力就小于我們自身受到的重力，我們會有身體猛地一輕，像要飄起來的感覺.當電梯加速下降或減速上升時，我們也處于失重的狀態.

只要物體相對于地球向上做加速運動（速度越來越快）或向下做減速運動（速度越來越慢）時，就會出現超重現象：物體向下做加速運動或向上做減速運動時，就會出現失重現象.所以生活中坐過山車（如圖3），玩蹦極（如圖4），乘坐汽車通過凹形路面時.都會有超重、失重的情況發生.

驗證失重和超重

體檢時，你是否注意過，我們站在磅秤上只有靜止不動時，磅秤的示數才是穩定的，否則示數就會不斷地發生變化.我們可以利用磅秤來體驗一下失重和超重：站在磅秤上靜止時，觀察一下磅秤的示數.這是我們的視重；然后在磅秤上做快速下蹲和快速起立的動作，觀察在這兩個過程中磅秤的示數變化情況.

通過實驗我們會發現：當我們快速下蹲時.磅秤上的讀數會先減小后增大，這是因為人體重心先加速向下后減速，故是先失重后超重：快速起立時磅秤讀數先增大后減小，這是因為人體重心先加速向上.后減速，故是先超重后失重，

在磅秤上，不管是靜止、起立，還是下蹲，我們所受的重力并沒有發生變化，改變的是我們對支持物的壓力（或支撐物對我們的支持力）.因此，比較物體受到向上的支持力（或拉力）與其所受重力的大小關系，也能幫助我們判斷物體是否處于失重或超重的狀態.超重時物體受到的向上的力大于自身所受的重力，失重時物體受到向上的力小于自身所受的重力.

這里需要對航天員在太空中處于失重狀態作一個說明：太空中失重，并不是他們不受地球引力，雖然他們距地球很遠，相比我們所受到的地球引力要小很多，但萬有引力依然存在.只不過是航天員隨著宇宙飛船繞地球做圓周運動，因為做圓周運動的物體都需要向心力，所以航天員所受到的地球引力都被用來提供繞地球運動的向心力了，此時不用再給宇宙飛船提供額外的支持力，也能確保宇宙飛船不會從太空掉下來.此時他們所受的向上的支持力為零，這屬于完全失重，這個知識高中我們學過牛頓第二定律后就很容易明白了.endprint