太空科學(xué)課（二）

太空熊貓君

你的體重是多少？如果沒法立刻回答上來，站到體重秤上，輕輕松松就能得到標(biāo)準(zhǔn)答案。沒錯(cuò)，在地球上的我們測量身體或者是其他物體的重量非常簡單。這是因?yàn)榈厍虮砻嫔系乃形矬w都會(huì)受到地球引力的影響。

科學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)，地球表面上的一個(gè)物體的重量——嚴(yán)格來說應(yīng)該叫作質(zhì)量，和它受到的重力服從簡單的比例關(guān)系：G=mg，G是物體受到的重力，單位是力學(xué)單位N（牛頓）;m是物體的質(zhì)量，單位是質(zhì)量單位kg（千克）;g是重力加速度，身處地球表面的我們可以把它視為一個(gè)常數(shù)，也就是一個(gè)固定值。通過這個(gè)公式，只需要測量出地球表面物體所受到的重力，就可以計(jì)算出它的質(zhì)量。

最傳統(tǒng)的體重秤都是利用了彈簧的胡克定律。早在1678年，英國科學(xué)家羅伯特·胡克就發(fā)現(xiàn)，在彈簧上懸掛重物之后，它的伸長量和這個(gè)重物的重量是成正比的，物體越重，彈簧就會(huì)被拉伸得越長。利用這個(gè)原理，我們就可以通過彈簧的伸長量來測量物體所受到的重力了。不過，現(xiàn)在我們普遍使用的電子秤應(yīng)用的原理就有些不同了。它的內(nèi)部會(huì)有一個(gè)彈性元件，當(dāng)我們?cè)陔娮映由戏椒胖梦矬w之后，物體的重力就會(huì)形成對(duì)電子秤表面的壓力，這個(gè)壓力會(huì)使得彈性元件發(fā)生變形，變形后的彈性元件的電阻也會(huì)發(fā)生變化，這種變化被電子設(shè)備檢測到，就可以換算出物體的重量了。

不過，雖然原理不一樣，但我們?cè)诘厍蛏蠝y量物體的重量都需要借助重力。可是，太空之中是失重環(huán)境，物體之間無法通過重力產(chǎn)生形變，航天員在太空里要如何測量體重呢？

想解決這個(gè)問題并不難，在天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的太空課堂中，王亞平就給我們演示了如何在太空測量體重。王亞平先是展示了一個(gè)彈簧裝置，兩根彈簧下端分別懸掛著兩個(gè)不同質(zhì)量的物體。在地面上，由于重力的影響，兩個(gè)物體會(huì)將彈簧拉伸到不同的長度，而在太空當(dāng)中，彈簧的長度并沒有發(fā)生變化。指令長聶海勝配合王亞平將四肢搭在一個(gè)金屬架子上，隨后收緊四肢將身體牢牢地固定在上面，隨著金屬架子的自動(dòng)收縮，它旁邊的顯示屏上就出現(xiàn)了聶海勝的體重：74千克。

真神奇！為什么一個(gè)會(huì)動(dòng)的金屬架子可以準(zhǔn)確地測量出體重呢？其實(shí)，這個(gè)架子叫作太空體重計(jì)，而它測體重的原理，正是鼎鼎大名的牛頓力學(xué)三定律之中的第二定律——加速度定律。根據(jù)加速度定律，物體在受到外力的時(shí)候，它所獲得的加速度和外力的大小成正比，和它自身的質(zhì)量成反比。看著有點(diǎn)暈？別急，讓我們慢慢分析一下吧！

上節(jié)課中，我們講了慣性定律：如果一個(gè)物體沒有受到任何外力，它將保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)。那么，如果一個(gè)靜止的物體持續(xù)受到一個(gè)外力的作用呢？它就會(huì)像猛踩油門的汽車，開始不斷加速運(yùn)動(dòng)。人們發(fā)現(xiàn)，如果這個(gè)力的大小和物體的質(zhì)量恒定不變的話，物體運(yùn)動(dòng)速度的變化也是恒定的。舉個(gè)例子，前一秒速度由20m/s增加到30m/s，下一秒就會(huì)從30m/s增加到40m/s。總而言之，每秒鐘速度就會(huì)增加10m/s，這就是加速度。物體不變，如果這個(gè)力越大，它的加速度就越大;同樣的力作用在不同質(zhì)量的物體上，質(zhì)量越大的物體的加速度就會(huì)越小。這就是牛頓提出來的加速度定律，這個(gè)定律也被寫作公式F=ma，F(xiàn)是物體受到的外力，m是物體的質(zhì)量，a則是它的加速度。

現(xiàn)在你應(yīng)該知道了，航天員在太空測量重力的方法，其實(shí)就是利用了這個(gè)定律。太空體重計(jì)開始工作之后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的力來收縮整個(gè)裝置，同時(shí)測量裝置運(yùn)動(dòng)后的加速度，那么通過加速度定律的公式，我們只需要用這個(gè)力除以加速度的大小，就可以得到航天員的體重啦！其實(shí)，加速度定律甚至可以說是力學(xué)乃至整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，在各行各業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。將火箭發(fā)射升空，讓航天器運(yùn)行到指定軌道，衛(wèi)星、空間站繞地飛行，理論基礎(chǔ)都是加速度定律。

原理弄明白了，但我們?cè)诘厍蛏蠝y量體重好像大多是為了減肥，航天員為什么在太空中還要測體重呢？清華大學(xué)航空航天學(xué)院郝紅偉研究員給出了專業(yè)的回答：“工作壓力大不大？睡眠好不好？食物營養(yǎng)夠不夠？鍛煉有沒有效果？這些人體健康狀況都能夠表現(xiàn)在體重的變化上。”原來，對(duì)航天員的體重測量，也是為了了解他們的身體狀況，隨時(shí)保障我國航天工作的順利開展呢！

2021年12月9日，中國空間站“天宮課堂”第一課正式開講，王亞平向地面上的我們展示了空間站的結(jié)構(gòu)以及科研項(xiàng)目，還做了一些全新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。是哪些新的有意思的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀孔屛覀兿缕谝黄鸾庾x吧！