失重与超重试验

失重与超重试验

失重与超重是物理学中的重要概念，它们不仅在日常生活中有所体现，更是航天领域中常见的现象。本文将从生活体验出发，通过物理原理的分析，帮助读者理解失重与超重的本质。

失重与超重的引入

当一个人静止站在水平地面上时，其重力的大小与地面对他竖直向上的支持力的大小是相等的，体重计就是根据这一原理测量体重的。乘坐电梯时，我们都有这样的体验：当电梯开始上升时，有“下坠”的感觉；当电梯开始下降时，有“上飘”的感觉。难道人的体重会在电梯开始上升或下降时发生变化吗？

我们把物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受的重力的现象称为失重，把物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受的重力的现象称为超重。在失重和超重现象中，物体对支持物压力（或对悬挂物拉力）的大小与物体的重力大小不相等，但物体所受的重力并没有发生变化。那么，什么情况下会出现超重（失重）现象？是否向上的运动就一定产生超重现象，向下的运动就一定产生失重现象呢？

产生原因

如图所示，以重物为研究对象，挂在弹簧测力计上的重物受到重力Ｇ和拉力Ｔ的作用。假设整个装置向下做匀加速运动，加速度大小为ａ，方向向下，重物的质量为ｍ。

选定竖直向下为正方向，根据牛顿第二定律，得

$$G-T=ma$$

即

$$T=G-ma$$

此时弹簧测力计对重物的拉力小于重物所受的重力。根据牛顿第三定律可知，重物对弹簧测力计的拉力Ｔ′小于重物所受的重力，即

$${T}^{'}<G$$

也即发生失重现象。

同理，可以解释超重现象。假设整个装置向上做匀加速运动，加速度大小为ａ，方向向上。选定竖直向上为正方向，根据牛顿第二定律，得

$$T-G=ma$$

即

$$T=G+ma$$

此时弹簧测力计对重物的拉力大于重物所受的重力。根据牛顿第三定律可知，重物对弹簧测力计的拉力大于重物所受的重力，即Ｔ′ ＞ Ｇ，也即发生超重现象。因此，加速下降或减速上升时，会发生失重现象。

完全失重

如果一个物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）为零，这种情况是失重现象中的极限，称为完全失重现象。例如，自由下落过程中的物体就处于一种完全失重的状态。考虑到一般情况下会有空气的阻力，因此物体并不是严格意义的自由下落，通常也把这种接近完全失重的状态称为微重力状态。

失重和超重现象不仅发生在日常生活中，在宇宙飞船中更是非常常见的现象。当人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器在加速上升阶段，其中的人和物体处于超重状态，他们对其下方物体的压力是其自身重力的几倍；而当航天器进入太空后，其中的人和物体则处于完全失重状态，此时他们对其下方物体将没有一点压力。物体在宇宙飞船中完全处于飘浮状态，而这在地球上是很难想象的事情！

本文原文来自kmath.cn