微重力科普:说说大家对微重力的几大误解

作者: 寒木钓萌

来源: 科普中国

发布日期: 2016-04-06 09:35:27

本文详细解释了微重力的概念及其在太空环境中的表现,纠正了公众对微重力的常见误解,并介绍了微重力环境下的科学实验和应用。

2016年4月6日凌晨,中国微重力卫星“实践十号”成功升空,其目的是利用太空中的微重力环境进行科学研究。问题来了,太空不都是失重环境吗?这个微重力又是怎么回事?还有,在微重力环境下,有哪些神奇的效应?

太空环境与地面截然不同,很多地面上的经验决不能轻易照搬到太空,否则将可能带来灾难。而人类要进军太空,就要深入研究太空微重力环境下各种与众不同的现象,并掌握其规律以便在生命科学、材料科学等方面获得新突破。

NASA在国际空间站上做的燃料实验,火焰呈球形。蜡烛的火焰在地面和太空中区别。美国阿波罗登月计划中,阿波罗12号曾发生电线短路并引发火灾,还好没有影响到任务。

而阿波罗13号就不同了,它在前往月球的途中,距离地球大约32.2万公里时,氧气罐爆炸并导致电线起火,最终,宇航员只能无奈地对休斯顿指挥中心说了一句非常有名的话:“休斯顿,我们出问题了。”此次登月任务最终失败。显然,航天器在太空出现火灾是致命的,我们需要深入研究微重力环境下的种种燃料现象,以此指导航天器的防火设计以及有效的灭火措施。

微重力环境下,流体的表现与地面也不相同。NASA航天员Scott Kell在微重力环境下做的水球“乒乓”展示。两个拍子击打水球,就像打乒乓球。水球滴入颜料后立即变色。水球中加入发泡物质后,像一颗宝石般的水球开始膨胀。而且水球还喷射出了一颗绿色小液滴,你看到了吗?

当我们站立时会受到向下的地心引力,还有向上的支撑力。那么,平时我们感觉到自己有多重时,这种感觉到底是来自地心引力,还是来自支撑力?显然,答案是来自支撑力。那这是不是说,如果失去支撑,我们就将失去对重力的感觉?是的,这就是我们常说的失重。

既然自由坠落能产生失重,那么,空间站等航天器中的失重是否也是因为它们每时每刻都在向地面坠落的缘故?答案也是肯定的。不光人造卫星、空间站在向地球坠落,连月球也在一刻不停地向我们砸来……我们从山顶水平扔出一块石头,此时,你能否认,这块石头没有在坠落吗?不能。石头虽然在水平方向前进,但这根本就没有妨碍到石头也在坠落的事实。

什么是微重力?说完了失重的成因,现在咱们继续探讨“微重力”。微重力就是微小的重力吗?显然不是!我们平常说的重力是由地球引力产生的。而引力跟距离的平方成反比,所以,不少人会误认为,人造卫星所在的轨道因为距离地面比较远,因此地球对它们的引力很小,所以叫做微重力。这是不对的。

国际空间站离地球的距离不超过420千米,因此,它受到的地球引力并没有减少多少。实际上,我们还可以这样想,地球的半径就有6372公里,所以,类似国际空间站、天宫一号等等这样的航天器,可以说,它们几乎就在地球表面,受到的地球引力没有减少太多,这是理所当然的。

要想获得微重力环境,最好的当然是大型空间站。但它们通常都很贵,比如国际空间站的建造和维护成本就高达上千亿美元。而且,由于种种原因,我国并没有参与到国际空间站的建设当中,不过没关系,预计4年以后,中国就将拥有一个成熟完善的空间站。但是在这之前,使用卫星是一种相对省钱快捷的方式,比如我国今天发射的“实践十号”微重力卫星。

除了以上这些,还有那些能获得微重力环境呢?很多,比如失重飞机。很多人误认为,失重飞机只有在俯冲时才会提供微重力环境,然而并非如此。上图中,失重飞机在黄色区域有向上的加速度。此时,飞机内是超重环境,这跟你坐电梯快速上升,或者是电梯快速下降后急剧减速一样,都会感觉自己变重了。而蓝色阶段为失重(微重力环境)阶段,为什么上升还会有失重呢?

“实践十号”是一颗技术要求较高的返回式卫星,也是中国科学卫星系列中,继暗物质探测卫星“悟空”之后,发射的第二颗卫星。在太空的这段时间里,它将进行微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学等实验。祝愿它圆满完成任务!

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