體重和失重是怎么一回事

黃大榮

減肥是當代生活中的熱詞。減肥是減體重的俗稱。體重就是人體的重量而不是人的質量。質量在物理學上是物體固有的特性。重量卻是質量在地球引力場中表現出來的力。牛頓第二定律的數學表達式：F=ma，F是力，也叫重力（重量），m是質量，a是重力加速度。地球上a=9.8/米秒平方。可見，重量與質量根本不是一回事。

站在磅秤上測量，顯示60kg，kg即千克，公斤。假如磅秤放到月球上，它顯示的體重只有10公斤了。什么原因？月球的引力場變了，引力只有地球的六分之一。根據牛頓萬有引力定律，引力F與月球和人體質量的乘積成正比，可見，月球的質量是地球的六分之一。簡而言之，質量不變，重量是可變的。

我們生活在地球上，站在地面上，人體的重力與地面給予人體的彈力相互抵消，也就是處于力平衡狀態，所以感受不到“失重”。我們的生理運動，血液循環、新陳代謝，已經適應了這種力平衡態。我們活得踏踏實實，沒有異常的不適感覺。

宇航員就不同了。他們在太空艙里，處于失重狀態。為什么會失重？不是因為宇航員距離地球很遠，而是在隨太空艙繞地球做圓周運動。圓周運動，盡管繞行的“線速度”基本不變，但是速度的方向在隨時變化，地球引力導致這種方向在不斷地改變。作用于人體的，就不僅有引力（重量），還有做圓周運動產生的離心力。正是這兩種力的相互抵消，讓宇航員感受到失去了重量。他們在空間艙里“飄”了起來。

由此看出，速度是矢量，也就是說，速度不僅有大小，還有方向。這兩個因素，改變其中任何一個，就有“加速度”，就有力的存在或變化。

眾所周知，物理學里有一個著名的伽利略比薩斜塔實驗。質量大小不同的鐵球，從塔頂自由落體，并不像人們想象的，重的先落地，輕的后落地，而是同時落地。可見人的主觀臆測是極不可靠的。當我們把牛頓第二定律和萬有引力定律聯系起來：F=ma= GMm/r2，我們看到，等號兩邊的m（即物體的質量）可以被消掉（數學上叫約去）；因此，物體在引力場中做自由落體運動，與它們的質量無關。約去質量后，加速度a=GMm/r2，這里，G是萬有引力常數，M是地球的質量，r是地球中心到物體中心的距離。加速度隨著這個距離變小，越來越大。

當人從高空墜落，速度越來越快，每秒鐘速度增加9.8米/秒平方。跳傘者從4000米高的空中下落時，開傘之前，有一小段時間的的自由落體，之后減速，是因為受到空氣阻力。有研究表明，在自由落體過程中，增加的壓力會把鼻竇和耳朵里的空氣擠壓出來。會使耳朵和鼻竇疼痛，也會產生眩暈、頭痛和惡心的感覺。未經嚴格訓練，會很危險。

宇航員在太空，因為失重，肌肉會萎縮，鈣會流失。他們必須堅持在艙中鍛煉，返回地面后，需要長時間地調理和恢復。

需要看到，自由落體中的物體是速度大小的改變，這時，如果忽略空氣阻力，懸在空中的物體受到的力，是唯一的重力，重力一直沒有消失，理論上越來越大（與地心的距離在減小），故不存在失重一說。有人把這時的狀態也叫失重，其實是說失去了站在地面時的正常重量。

太空失重，是速度方向的改變。太空人和物體，因重力與離心力抵消，這才有失重狀態。

生活中有許多似是而非的說法，不深入地科學地考察，往往人云亦云，以訛傳訛。這也是需要科普的原因。

責編：何建嬌