引力与失重及引力与速度的分析介绍

认识失重

1．引力与失重

前段时间，中国的“神舟”7号载人航天科学实践成功，各种媒体都以主要版面报道和宣传。但从这些宣传节目或文章中可以发现，很多人对失重的理解有误。

有的主持人在“神七问天”节目上误说了这样一句：“宇航员在没有引力的宇宙空间中……”这句话的错误在于“没有引力”，因为宇宙中的物质分布在宏观上是比较均匀的，在已知的宇宙中任何地方都有引力存在，只是大小不同而已。说“没有引力”至少是不准确的，特别是在近地轨道运行的人造天体上，更不能说没有引力，说“失重”才是正确的。

上面提到在已知宇宙的任何地方都存在引力，只是大小不同。联想到宇航员在空间中的失重状态，有人会想象在接近真空的高空中，引力可能就会变小，而且宇宙飞船会掉到地面上来也是因为引力太小了，所以连宇航员能在空中漂浮。人造飞船飞行高度离地面大多在200千米到1 000千米之间，在这个轨道上的飞船受地球的引力其实还是很大的。地球的引力远至月球这样远仍有巨大的作用，如果月球停止在椭圆形轨道上的绕地运动，它就会因受地月之间的引力而与地球撞在一起。反过来，月球对地球上的所有物体也都施加引力，例如地球表面大约每日两次出现的海洋潮汐现象，就是月球引力作用的结果。

宇宙飞船为什么会失重？仍然要强调的是，失重不是没有引力作用于这个物体，而是作用于这个物体上各方向的力平衡（不是简单的相等）的结果。如前面提到的，物体在做自由落体运动时就可以获得失重的条件。宇航员在训练时，可以通过大型飞机做抛物线轨迹的飞行，或者飞至高空之后向下俯冲做自由落体运动来获得几十秒时间的失重状态。

2．引力与速度

可以做一个小小的实验：选一块开阔的平地或高地，在看清楚周围没有其他人的情况下，用力将一小石块或其他小物体平抛出去，观察小石块或小物体的运动。

当物体被平抛出去时，如果没有地球引力，它会平直地飞出去。但因为存在地球引力，小物体在向前方飞行（运动）的过程中必然同时做自由落体运动。抛出时的初速度越大，小物体的落点就越远。当初速度不太大时，在运动过程中很快就会因到达地面而结束前向运动。如果初速度极大，因为地球是圆的，则可能在“下落”过程中渐渐地在向前的方向上远离了地球。也就是说，物体与地面的距离可能会变大，即物体“下落”的速度赶不上地球球面弯曲的程度，一直做着自由落体运动。这就有可能在绕地球转过一圈后还没有落到地面，于是就成为“人造地球卫星”。当然，若能达到这样的效果，要求平抛物体的初速度不小于7．9千米／秒，即“第一宇宙速度”。

当然，一个人的肌肉力量绝对没有这么强大，要想获得这样的运动速度，必须运用科学知识设计大型火箭。现在，世界上已经有很多国家可以“抛射”这样的人造卫星了。假定我们发射的人选卫星（包括人造飞船）上还有宇航员，他就会与人造卫星一起做自由落体运动，因而共同处于失重状态，就如同我们从电视屏幕上看到的宇航员的太空行走——在茫茫的宇宙中自由地漂浮着。

如果这个初速度大于7．9千米／秒而小于11．2千米／秒，物体的运动轨迹就是以地球质量中心为焦点之一的椭圆。在绕地球沿椭圆轨道运行时，物体的速度不断变化，物体在趋向于远离地球的轨道上运行时，速度会越来越小（加速度为负值），此时地球的引力对物体做功，试图将它拉回地球。当物体运行到远离地球的最远端点时速度降至最小，无力（没有足够的能量）继续远离地球，于是开始“朝向”地球“落”下来。此后开始渐渐靠近地球，地球的引力对它做功使其加速。当运行到最靠近地球的地方之时，它的速度又加到最大，并积累了足够的运动能量。这样就又回到趋向于远离地球的轨道上运行。

整个椭圆运动中，物体与地心之间的连线在相同时间内扫过的面积相等。这就是开普勒行星运动第二定律的内容。

如果物体初速度达到或超过11．2千米／秒，物体将挣脱地球的引力，不再做围绕地球的运动，将会“升级”为太阳的行星。