太空科學課（二）

太空熊貓君

你的體重是多少？如果沒法立刻回答上來，站到體重秤上，輕輕松松就能得到標準答案。沒錯，在地球上的我們測量身體或者是其他物體的重量非常簡單。這是因為地球表面上的所有物體都會受到地球引力的影響。

科學家們很早就發現，地球表面上的一個物體的重量——嚴格來說應該叫作質量，和它受到的重力服從簡單的比例關系：G=mg，G是物體受到的重力，單位是力學單位N（牛頓）;m是物體的質量，單位是質量單位kg（千克）;g是重力加速度，身處地球表面的我們可以把它視為一個常數，也就是一個固定值。通過這個公式，只需要測量出地球表面物體所受到的重力，就可以計算出它的質量。

最傳統的體重秤都是利用了彈簧的胡克定律。早在1678年，英國科學家羅伯特·胡克就發現，在彈簧上懸掛重物之后，它的伸長量和這個重物的重量是成正比的，物體越重，彈簧就會被拉伸得越長。利用這個原理，我們就可以通過彈簧的伸長量來測量物體所受到的重力了。不過，現在我們普遍使用的電子秤應用的原理就有些不同了。它的內部會有一個彈性元件，當我們在電子秤上方放置物體之后，物體的重力就會形成對電子秤表面的壓力，這個壓力會使得彈性元件發生變形，變形后的彈性元件的電阻也會發生變化，這種變化被電子設備檢測到，就可以換算出物體的重量了。

不過，雖然原理不一樣，但我們在地球上測量物體的重量都需要借助重力。可是，太空之中是失重環境，物體之間無法通過重力產生形變，航天員在太空里要如何測量體重呢？

想解決這個問題并不難，在天宮一號空間實驗室的太空課堂中，王亞平就給我們演示了如何在太空測量體重。王亞平先是展示了一個彈簧裝置，兩根彈簧下端分別懸掛著兩個不同質量的物體。在地面上，由于重力的影響，兩個物體會將彈簧拉伸到不同的長度，而在太空當中，彈簧的長度并沒有發生變化。指令長聶海勝配合王亞平將四肢搭在一個金屬架子上，隨后收緊四肢將身體牢牢地固定在上面，隨著金屬架子的自動收縮，它旁邊的顯示屏上就出現了聶海勝的體重：74千克。

真神奇！為什么一個會動的金屬架子可以準確地測量出體重呢？其實，這個架子叫作太空體重計，而它測體重的原理，正是鼎鼎大名的牛頓力學三定律之中的第二定律——加速度定律。根據加速度定律，物體在受到外力的時候，它所獲得的加速度和外力的大小成正比，和它自身的質量成反比。看著有點暈？別急，讓我們慢慢分析一下吧！

上節課中，我們講了慣性定律：如果一個物體沒有受到任何外力，它將保持靜止或者勻速直線運動。那么，如果一個靜止的物體持續受到一個外力的作用呢？它就會像猛踩油門的汽車，開始不斷加速運動。人們發現，如果這個力的大小和物體的質量恒定不變的話，物體運動速度的變化也是恒定的。舉個例子，前一秒速度由20m/s增加到30m/s，下一秒就會從30m/s增加到40m/s。總而言之，每秒鐘速度就會增加10m/s，這就是加速度。物體不變，如果這個力越大，它的加速度就越大;同樣的力作用在不同質量的物體上，質量越大的物體的加速度就會越小。這就是牛頓提出來的加速度定律，這個定律也被寫作公式F=ma，F是物體受到的外力，m是物體的質量，a則是它的加速度。

現在你應該知道了，航天員在太空測量重力的方法，其實就是利用了這個定律。太空體重計開始工作之后，會產生一個固定的力來收縮整個裝置，同時測量裝置運動后的加速度，那么通過加速度定律的公式，我們只需要用這個力除以加速度的大小，就可以得到航天員的體重啦！其實，加速度定律甚至可以說是力學乃至整個物理學的基礎，在各行各業的應用非常廣泛。將火箭發射升空，讓航天器運行到指定軌道，衛星、空間站繞地飛行，理論基礎都是加速度定律。

原理弄明白了，但我們在地球上測量體重好像大多是為了減肥，航天員為什么在太空中還要測體重呢？清華大學航空航天學院郝紅偉研究員給出了專業的回答：“工作壓力大不大？睡眠好不好？食物營養夠不夠？鍛煉有沒有效果？這些人體健康狀況都能夠表現在體重的變化上。”原來，對航天員的體重測量，也是為了了解他們的身體狀況，隨時保障我國航天工作的順利開展呢！

2021年12月9日，中國空間站“天宮課堂”第一課正式開講，王亞平向地面上的我們展示了空間站的結構以及科研項目，還做了一些全新的科學實驗。是哪些新的有意思的科學實驗呢？讓我們下期一起解讀吧！