对宇航员失重问题的理解

第1页共3页对宇航员失重问题的理解刘明成（河北师范大学河北石家庄050091）刘文芳（吉林师范大学吉林四平136000）中图分类号：O313.1文献标识码：A宇航员失重问题是大中学师生关心的问题.本文参考文献文献[1]，也来谈谈失重问题.人造地球卫星（或者空间站、天空一号等航天器）绕地心运动是椭圆轨道.由于卫星质量比较地球质量为相对充分小，卫星的线度比卫星轨道的近地点到地心的距离为相对充分小，卫星又是无自旋的，我们总可以把卫星当质点处理，写出其牛顿第二定律，F+f=ma（1）其中m为卫星的总质量，f为卫星所受的万有引力；F为非保守力，即万有引力以外的力（例如空气阻力、机动力等）；a为卫星在地心坐标系（惯性系）的加速度矢量.将（1）式两边点乘dr，边得到卫星（质点）运动动能定理：Fdr+fdr=d(21mv2)(2)合力对卫星（质点）所做之功等于卫星（质点）动能的增量.引入势能定义：保守力的功等于卫星势能增量的相反数，fdr=—dEp（3）(2)式化为卫星（质点）机械能定理：Fdr=d（Ek+Ep）（4）非保守力的功等于卫星（质点）机械能的增量.（4）式给出了卫星（质点）机械能守恒的条件.当卫星不受非保守力作用时（F=0），我们便得到卫星（质点）机械能守恒定律，d（Ek+Ep）=0（5）（5）式为质点微分形式的机械能守恒定律，将其积分便得到积分形式机械能守恒定律，Ep(t)Ek(t)Ep(0)Ek(0)E（6）对于只受万有引力作用的卫星，（6）式具体变为，21mv2—GMmr=-2GMma=E(7)其中M为地球质量，a为卫星椭圆轨道半长轴.实际上，在我们讨论宇航员失重问题时，并不用推出（2）-（7）,只用公式（1）就足够了,本文主要为了使读者明白卫星运动中机械能守恒的条件，因为卫星机械能守恒的条件：F=0，卫星不受任何非保守第2页共3页力的作用，即卫星只在万有引力作用下运动.为了讨论宇航员失重问题，我们重新写出公式（1）f=ma（8）这里m为宇航员（王亚平）的质量，f为宇航员所受地球的万有引力，a为宇航员在地心坐标系里的加速度矢量.于是，我们有f=-3GMmrr（）a=f/m=-3GMrr由于天空号在地心坐标系有加速度a，于是天空号里便有惯性力场存在，其惯性力场强度为a，则-a=3GMrr（）宇航员王亚平在天空号里所受万有引力作用又受惯性力f′作用，f′=-ma=3GMmrr（）f+f′=0，即f-ma=0即宇航员所受合力为0，即宇航员失重了.宇航员失重，不只是在近（远）地点瞬间，而是卫星入轨后的任何时间，王亚平都是处于失重状态，天空1号和里面的所有人都失重了.在天空1号里用弹簧秤无论如何也测量不出人和物的重量了，弹簧秤无法使用了.王亚平失重并不是她失去了地球对她的引力，而是由于她随天空1号一起绕地心运动产生的惯性力抵消了地球对他的引力，这就是失重的本质所在.惯性力在牛顿力学里被认为是假想力、虚拟力，但在广义相对论中，爱因斯坦把惯性力和万有引力一样对待，这即他提出的等效原理.这个原理简单说就是：“引力和惯性力在局域是不可区分的或等效的.”香港凤溪小学生说“希望未来能到太空体验失重状态下的感受”是完全正确的，把这句话改为“希望未来能到太空体验微重力状态下的感受”是不对的.北京电视台播音员说“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在脱离地球引力那一瞬间给她带来的感受”，应该改为“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在入轨那一瞬间给她带来的感受”，因为一入轨即处于失重状态了.还有由于引力不能屏蔽，只能局部消除。在地球上建造微重力实验室只能是落塔式的，落塔相当于自由降落的电梯.由于实验要保证人员和仪器的安全，必须设置安全回收设备，因此非保守力不可避免，落塔下落的实际加速度a必须略小于g，惯性力不足以完全抵消万有引力，必须有微重力，即在地面系上建不成无重力实验室，无重力实验室只能在太空建.第3页共3页参考文献：[1]蒋华，周智良.太空实验引出对“引力重力失重”问题的探讨，物理通报，2014（07）：115～117.[2]冯麟保，闫凤和，张波.理论力学基础[M].保定：河北大学出版社（1996）