小物和小理的物理對話錄(74)
———如何理解超重和失重

程 帥 孟衛東(特級教師)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習高中物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度．

1 對話錄

小物:小理,最近課業多,運動少,感覺自己一直在長肉，都超重了．

小理:人的體重標準指數計算公式是體重(千克)除以身高(米)的平方,在中國大于23.9就算超重了,你可以算算自己的體重指數．

小物:24.2,唉!真的超重了,太傷心了！

小理:小物,你說的超重指的是自己重力(質量)增加了,可我們物理語言中超重和失重卻不是如此．

小物:還有物理語言啊,你快給我講講和我說的超重有什么區別．

2 小理的解釋

2.1 超重和失重

在新人教版高中物理教材《必修一》中，超重和失重是這樣定義的:物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)大于物體所受重力的現象稱為超重;物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受重力的現象稱為失重．常用的兩種測量重力的方法：1)測量出地球表面某點的重力加速度,用天平測量質量，再代入重力計算公式即可;2)利用彈簧測力計在豎直方向上懸掛物體處于靜止狀態的讀數,直接反映物體所受的重力．

彈簧測力計等儀器上顯示的數值稱為物體的視重,反映的是物體給儀器的壓力(拉力)．而物體對支持物的壓力和物體自身受到的支持力是一對相互作用力,二者大小相等．壓力大于(或小于)重力也就是支持力大于(或小于)重力,反映到人身上就是自己的一種感覺變化．比如電梯啟動上升時人往往感覺自己比靜止時要沉重很多,像是被緊緊地釘在電梯地板上,這就是超重現象;而電梯啟動下降時人會覺得腳下變空了，有種要飄起來的感覺,這就是失重現象．電梯的上升和下降過程都可以分為超重和失重兩個階段,也就是說超重和失重現象的產生與物體的運動方向沒有關系．超重和失重的實質并不是物體自身重力改變了．生活中所說的人超重了,才是人的質量變大了,也就是重力增加了,這和物理語言中的超重是有本質區別的．

2.2 物體具有向下的加速度就一定處于失重嗎?

有的同學認為物體加速度向上時就是超重,加速度向下時就是失重,這種理解準確嗎?在豎直方向上，當物體所受的拉力或者支持力小于自身重力時確實會產生向下的加速度．很多同學特別喜歡過山車上下翻滾過程中產生的刺激感,當過山車運行到最高點時,人除了受自身重力mg外,還受到座椅給的向下的支持力F．由牛頓第二定律可得

圖1 過山車中的超重和失重現象

由于現代技術的高速發展,戰機的提速性能可以達到7g的加速度．戰機升空過程中加速度向上,飛行員處于超重狀態;如果戰機全力向下俯沖,飛行員受到的支持力為8mg,方向向下,顯然飛行員依然處于超重狀態．

圖2

火箭發射時可以達到8g的加速度,航天員要承受數倍于自身重力的壓力,普通人在如此大的壓力下會出現視力模糊、器官衰竭等問題,對人的生理極限是一個巨大的挑戰,因此航天員一般會身穿航天抗荷服,并在火箭發射前在離心機中進行高強度適應性耐重訓練．訓練所用的離心機在水平方向高速運轉,儀器側壁對航天員產生巨大的、指向圓心的水平壓力,即加速度是指向圓心而并非向上．

由這些例子可見，當物體處于超重時加速度不一定向上,加速度向下時物體也不一定處于失重,不能簡單地將加速度的方向作為判斷物體處于超重或失重的依據,而是要把握超重和失重現象的產生根源．

圖3 超重耐力訓練離心機

2.3 超重和失重的應用

除了過山車,備受年輕人喜歡的蹦極運動,在彈性繩繃直前人近似做自由落體運動,此時加速度等于重力加速度,人處于完全失重狀態．地球上的物體由于受重力的影響,是很難做出真正球形鋼珠的,這樣的鋼珠在使用時就很容易被磨損,研究人員把材料放在完全失重的環境下就能制造出標準的鋼珠．當航天器在太空中轉動時處于完全失重狀態,此時水滴成球形,物體飄浮起來,研究人員可以進行很多植物培育及醫學方面的研究．目前科學家也正在研究將空間站做成環形,高速轉動的空間站為航天員提供了一個模擬的地球重力場,以適于航天員的工作．

車輛在經過一些凹陷地面時,地面給車輛的支持力大于自身的重力而處于超重狀態,如果橋做成下凹的形狀,當車速達到一定程度時車胎承受不住太大的壓力很容易被擠爆,橋也容易被壓塌．將橋做成拱形時卻恰恰相反,利用車輛對橋的壓力小于自身的重力,而且車速越大對橋面的壓力越小,可以起到延長橋的使用年限的作用．

小物:哦!我明白了,原來物理學中所說的超重和失重是人的感受發生了變化,自身的重力沒有改變．