航天員的太空授課讓我們看到了空間站中的微重力環(huán)境帶來的諸多神奇的現(xiàn)象。 微重力環(huán)境是指物體的重量接近于零，也就是我們常說的失重環(huán)境。但是，空間站中為什么會失重呢？我們把這個問題再擴(kuò)大一點(diǎn)，軌道上環(huán)繞地球飛行的航天器及其內(nèi)部的物體為什么會失重呢？

中國空間站內(nèi)的航天員（圖片來源：中國載人航天官網(wǎng)）

我們先來看看幾種比較流行的誤解：

誤解一：環(huán)繞地球飛行的航天器同時受到地球引力以及圓周運(yùn)動帶來的離心力作用，二力平衡合力為零，所以航天器失重 。

錯誤原因：牛頓第一定律告訴我們，在不受到外力（包括受到的合力為零）的情況下，物體會保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)。而航天器環(huán)繞地球運(yùn)動，所以上述說法不成立。實(shí)際上，離心力是一種虛擬力，而不是真實(shí)存在的力。在不考慮太陽光壓、地球大氣阻力、月球引力等非常小的力的情況下，航天器環(huán)繞軌道飛行時只受到一個主要的力的作用，那就是地球引力。

誤解二：航天器距離地球比較遠(yuǎn)，受到的地球引力很小，所以失重。

錯誤原因：以空間站為例，空間站距地面約400公里，重力加速度大約是地面上的89%，也就是說，空間站及其內(nèi)部的物品在這一軌道高度下受到的地球引力為地面的89%。而也正是由于這89%的地球引力的存在，空間站才會圍繞地球飛行，而不會脫離地球、飛向深空。

那么，在空間站中到底為什么會失重呢？失重，就是物體受到的支撐力或拉力小于物體的重力。重量和重力是兩個概念。重力只和重力加速度有關(guān)，理論上來說，在地球的同一個高度上重力不變。重量可以簡單理解為測量工具（例如秤）測量出來的力，也就是秤給予被測物體的支撐力。當(dāng)物體失去支撐，重量就會變成零，這就產(chǎn)生了失重。舉個生活中的例子，當(dāng)電梯快速下降時，電梯中的我們會感受到短時間的失重。這是因?yàn)殡娞蒽o止不動時，電梯和電梯里的人受到的支撐力和重力相等；而電梯加速下降時，電梯和電梯里的人受到的支撐力小于重力。如果站在體重秤上坐電梯，電梯上下過程中我們就能觀察到重量的變化了。

目前制造微重力環(huán)境最常用的方法有4種：落塔、飛機(jī)、火箭和航天器。其中落塔最好理解，就是在高處將物體釋放使其垂直自由落體。物體自由落體的過程中，只受到重力作用，而沒有其他支撐力或拉力，因而處于失重狀態(tài)。位于德國不來梅大學(xué)的落塔塔高146m，在“跌落模式”下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從120m的高度被釋放，系統(tǒng)中的物體可獲得4.74s的微重力時間；“彈射模式”下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被垂直彈射到塔頂然后自由落回，系統(tǒng)中的物體最長可獲得9.3秒的微重力時間。

德國不來梅大學(xué)落塔（圖片來源：ESA官網(wǎng)）

失重飛機(jī)的原理與落塔的“彈射模式”原理類似，通過拋物線飛行來獲得微重力，軌跡見下圖。在中間段會將飛機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，前半段靠慣性保持上升狀態(tài)但速度逐漸減小，到達(dá)頂端后加速下降，即飛機(jī)減速上升及加速下降期間，飛機(jī)處于失重狀態(tài)。此時飛機(jī)的加速度方向向下，也就是受到的合力方向向下，即重力大于升力（空氣對飛機(jī)的支撐力），從而得到失重環(huán)境。

失重飛機(jī)飛行軌跡（圖片來源：維基百科）

同樣，空間站之所以失重，也是因?yàn)橹皇艿街亓Φ淖饔枚鴽]有其他任何的支撐力，實(shí)際上處于落向地面的運(yùn)動狀態(tài)。這似乎很難理解——空間站明明在環(huán)繞地球飛行呀？

空間站確實(shí)在落向地面，但是地球是球形的，在空間站落回地面的同時，地球的地平線也在下降。而空間站達(dá)到第一宇宙速度后其下降速度與地平線的下降速度相同，也就是永遠(yuǎn)落不回地球了。

當(dāng)然，這是理論狀態(tài)?？臻g站在軌飛行時會受到太陽、月球引力、太陽風(fēng)、大氣阻力等影響，導(dǎo)致速度不斷降低，軌道高度隨之不斷下降。所以地面飛行控制人員會定期通過發(fā)動機(jī)推進(jìn)保持它的軌道，這樣空間站就不會落回地球了。

（來源：中國科學(xué)技術(shù)館）

責(zé)編：伍芳芳

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