淺談高中物理中超重和失重的原理及其在生活中的應用

黃小宇

摘 要：超重和失重是常見的物理現象，也是物理學中重要和典型的應用知識點。其內容雖然簡單，但由于同學們普遍缺乏對它們直接感性認識，導致理解起來有點抽象。其實人們平常生活中遇到過許多超重和失重的現象，而且各行各業關于它們也都有不同程度的運用。本文簡要介紹了超重和失重的概念、原理以及在生活中的應用，幫助人們進一步了解超重和失重。

關鍵詞：高中 失重 生活 應用

一：什么是超重和失重

超重（overweight）和失重（weightlessness）是大多數人都經歷過的狀態，用物理專業的術語來說，超重就是物體對支持物的壓力（或對懸繩的拉力）大于物體所受重力，失重就是物體對支持物的壓力（或對懸繩的拉力）小于物體所受重力。相信這些概念大家在書本上課堂上都已經聽過無數遍，可這些術語并不容易記憶，雖然聽了無數遍但還是背不下來，其實能不能背下這段拗口的文字并沒有多大區別，只要能將超重和失重這兩個概念進行區分就可以了，通俗一點說，超重就是你坐電梯時上升時的狀態，失重就是你坐電梯時下降時的狀態。

二：超重和失重的原理

超重和失重是我們很早就接觸的物理概念，它們是牛頓第二定律中一個重要的知識點。簡單來說，一個物體無論向上運動還是向下運動，只要加速度向上，就是超重，相反，加速度向下就是失重。失重當中又有個特殊情況，即完全失重，就是當物體加速度等于重力加速度時，此物體就處于完全失重狀態。

三：超重和失重在生活中的應用

（1） 在航天方面的應用

超重和失重在航天方面的應用非常重要。現在很多科幻電影里都會出現這樣的場景：一艘裝備無數先進技術的星際飛船穿梭在浩瀚宇宙中，飛船中的宇航員可以直接將食物拋在空中，食物會在空中四處飄蕩而不是直接下落，宇航員可以跳起來用嘴去接那些食物而不用擔心食物掉到地上。這雖然是科幻電影中的場景，但是很多是符合目前發現的科學規律的，因為在太空中人和食物不再受到地球的引力，都處在失重的狀態，唯一不同的是，電影中的宇航員看起來很輕松很快樂，但真實世界中宇航員要想能夠進入太空，并適應失重的狀態需要經過一系列復雜艱苦的訓練。宇航員在進行訓練適應太空的失重狀態時，需要乘坐大飛機被帶到地面數百萬米的高空，然后讓飛機關閉動力在空中做自由落體運動，豎直下墜，這樣里面的宇航員就獲得失重的環境，便于適應并了解失重的環境。除此之外，飛行員和宇航員往往還需要接受超重訓練，以適應飛機加速上升時的超重狀態。航天局使用離心機在地面實現超重情況，開啟離心機可以獲得數個g的加速度，在里面會很痛苦，飛行員要經過非常漫長艱苦的訓練才能適應超重的狀態。進行失重和超重訓練是航天員進入太空必須經過的挑戰，也可見它們的重要性之大。

（2）在工業方面的應用

超重和失重的現象也經常出現在工業生產中，很多工程師也開始使用相關知識應用于工業方面，由此解決生產中出現的問題并提高生產效率及產能。在器件制作方面，在很多儀器中需要球狀的金屬零件，工業制作金屬零件一般都是根據液體凝固原理，將液體金屬灌入模具或者自然成形，然后凝固成金屬固體。傳統的制作滾珠的工藝是在常規環境下進行的，制作出來的并不呈絕對球形，也正是由于表面不光滑，所以會導致軸承磨損等問題。正常環境下由于重力的存在很難獲得規整的球形，所以很多工廠開始在失重條件下制作球形零件，因為失重條件下融化了的金屬液滴形狀能呈絕對球形，冷卻后可以成為理想的滾珠。玻璃纖維是現代光纖通信的主要部件，但正常環境下很難制作很長玻璃纖維，因為沒等到液態的玻璃絲凝固，由于重力的作用，它將被拉成小段，但在失重狀態下就不會有這種困擾，液態玻璃絲因為不受重力的作用，每一小段不會下墜，從而形成連續并且均勻的鏈條，這樣凝固后就可以制造出幾百米長的玻璃纖維。還有，現代工業可以在太空的軌道上制作一種新型泡沫金屬材料，原理就是在失重條件下，可以向液態的金屬中通進氣體，因為不受重力，氣泡將既不“上浮”，也不“下沉”，從而均勻地分布在液態金屬中，這樣液態金屬凝固后就成為泡沫金屬，泡沫金屬輕的就像軟木賽似的泡沫鋼，這種泡沫金屬材質輕，但延展性和剛性性能優異，是一種應用空間廣闊的新型材料，可以用它作為飛機的機翼材料，這樣生產的機翼又輕又結實。

（3）在農業、醫學和化學上的應用

除了在航空以及工業領域的應用，失重超重知識還可以應用到農業、醫學和化學領域。在地球上所有生物都要承受來自地球的引力，經過億萬年的進化，目前還能在這個星球上生存的生物已經能夠適應這種狀態。目前很多生物學家開始試圖在失重環境下種植一些植物，觀測它們的生長情況，并記錄它們的生命參數。這是一項非常有創意和前景的研究方向，通過改變重力環境有可能優化植物的基因，培育出有更高產量的農作物，甚至改變一些蔬菜糧食作物的生長周期，從而為人類提供更多的食物，解決貧困地區的饑荒。還有，離心機是生物和化學實驗室中常見的分離裝置。離心機開始轉動后，由于重力場的作用會使離心管中懸浮的顆粒逐漸下沉，粒子越重則下沉速度越快；反之，那些密度比液體小的顆粒會上浮到液面部分。基于這個原理，使用離心機可以將固體與液體分離，也可以將大的顆粒與小的顆粒分離，因此離心機在醫學上可以分離不同物質如細胞中各種細胞器，在化學中可以分離不同尺寸的納米顆粒。

四：結語

超重和失重不僅是非常重要的物理概念，而且還有許多重要的應用。從17世紀牛頓提出牛頓第二定律到現在，關于超重和失重一直都在不斷探索和在發展。它們的應用在各行各業都隨處可見，這些都是無數前人辛勤研究的結果，今后也會有人繼續他們的研究，探索出有利于人們的應用。

參考文獻

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[2] 宮文婷，牛忠英，湯楚華.模擬失重后再超重對猴咬肌細胞RyR1 mRNA表達的影響[J].牙體牙髓牙周病學雜志，2014，24（08）：437-441.