飘浮--神秘的微重力环境

鲍海飞 2012-6-26

我国的神舟九号与天宫一号在距离地球约300多公里之处进行对接，什么微重力(microgravity)环境下的材料实验、生物实验，流体实验都可以得到实施了，有关微重力环境下的一些实验和现象等得到了一些了解。以前一直认为微重力环境就应该是重力非常小，也就是重力加速度非常小的环境（1g=9.8m/s²），因此人才能‘飘浮’。资料检索得知，实际上，微重力环境是指物体所受到的加速度一般为百分之一到百万分之一的重力加速度(10^-3 -10^-6 g)下的环境；或定义为天体的引力被与其相反的惯性力大部分抵消后，剩余的微弱重力环境称为微重力环境。据此可以设计出不同的微重力环境。

太空中的载人飞船并不是不受到重力吸引，只是要小一些。空间站(Space Station)上距离地球数百公里轨道上的宇航员说他们感觉到了‘失重’；其实，重力依然作用在他们身上，他们只‘损失’了大约10%的重量。从牛顿公式F=GmMe/R² 中知道（其中，引力常数G=6.67X10^2-11Nm²/kg² ,地球质量Me=5.98X10²⁴ kg,地球半径6371km，m为飞船的质量。重力加速度g= GMe/R²  =9.8N/m2)，物体受到重力的作用与距离的平方成反比，如果物体距离地面越远，那么受到的重力作用就越小。月球上的重力加速度是地球的六分之一，所以就会看到宇航员在月球上，一跳就会跳到很高的空中‘飘浮’很长时间。

因此第一种产生微重力环境的方法是：远离地球。这是一种纯减小天体对另外一个物体作用力的方法。可以用公式g= GMe/R²来计算获得。由该公式知道，如果采用这种方式，要达到百万分之一的地球引力（百万分之一个g），那么我们需要将航天器驾驶远离地球大约6百万公里之外，相当于远离17个地球到月球的距离，这是难以实现的。

另外一种产生微重力环境的方法是：自由落体方式。有一个例子可以说明这个问题。当我们乘坐电梯的时候，当电梯加速上升的时候，我们感觉到我们‘超重’了，而当加速下落时，我们感觉到我们‘轻’了，一旦电梯自由落体，我们在电梯中便可以‘飘浮’了，如果此时我们脚下有一个电子秤，我们在秤上的重量显示为‘零’,于是我们便处于一个所谓的‘失重’ (weightless enviroment)或‘零重力环境下’。实际上，我们和电梯之间一直在做相对运动，是同步自由落体！如果此时，用手或脚触碰电梯箱壁，施加作用力，人便能‘飘浮’移动了。施加的力叫做‘表观重力’。

美国NASA和其他一些国家的实验室中就采用自由落体等方式以获取短时间的‘微重力环境’。如采用一定高度的抽真空的落塔(又回到了伽利略时代！)或落管(drop towers and Tubes))的方式，在一个132米高的落塔中，就可以产生5.2秒时长的微重力环境（由s=gt²/2计算可得），微重力环境下加速度的水平在10^-3-10^-6g。

利用飞机失重、火箭和飞行器等均可实现较长时间的微重力环境。按照牛顿的观点，在地球上很高的一个远离大气层的‘山峰’上（空气摩擦非常小），架起一座大炮，然后发射炮弹。如果弹药放的越多，那么炮弹就要一次比一次飞的远，当速度达到一定大小时，在只有重力作用下，炮弹就能飞回发射原点，从此就可以环绕地球轨道飞行了。以这个速度和高度飞行，炮弹的自由落体轨道将是平行于地球的表面，由此可以产生持续的、长时间的微重力环境。在轨道上的飞船，其在地球引力和自身的动力离心力的作用下，以7.9千米/秒的第一宇宙速度运行，当两种力处于平衡状态时（mv²/R-GmMe/R²=0），飞船围绕地球旋转。位于飞船内的人和物体都与飞船受到同样的力作用而同步运动，飞船里的人和物与飞船之间处于相对静止状态，形成了一个所谓不受重力干扰的环境，于是人便可以‘飘浮’了，此时也就没有了重量的感觉。

在地球上，微重力环境是一个局部的、动态的和相对的‘失重’环境。