2宇航員失重問(wèn)題的再探討

，與開(kāi)普勒第三定律“行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)周期的二次方與其橢圓軌道的長(zhǎng)半軸的三次方成長(zhǎng)比”完全一致。該式講成正比的比例系數(shù)也求出來(lái)了，用它便可直接求出橢圓運(yùn)動(dòng)的周期。如果不考慮萬(wàn)有引力以外的力的作用的話(huà)航天器的運(yùn)行軌道為橢圓軌道，文獻(xiàn)[2]按照?qǐng)A形軌道計(jì)算也存在誤差，.通過(guò)上面的分析可以得出文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[1]中出現(xiàn)的誤差是精確度等原因造成的計(jì)算誤差，失重是等效原理的結(jié)果.文獻(xiàn)[2]比文獻(xiàn)[1]取宇宙飛船離地面的高度還低，但是得出數(shù)值比文獻(xiàn)[1]還低也說(shuō)明了這一點(diǎn)，兩篇文章采用的地球半徑、地球質(zhì)量都不相同.所以文獻(xiàn)[2]中的香港鳳溪小學(xué)生說(shuō)“希望未來(lái)能到太空體驗(yàn)失重狀態(tài)下的感受”是完全正確的（因?yàn)槿f(wàn)有引力以外的力的作用作用的影響非常小，幾乎無(wú)法測(cè)量），把這句話(huà)改為“希望未來(lái)能到太空體驗(yàn)微重力狀態(tài)下的感受”是不對(duì)的.北京電視臺(tái)播音員說(shuō)“摩根還給孩子們聊起了航天飛機(jī)在脫離地球引力那一瞬間給她帶來(lái)的感受”，應(yīng)該改為“摩根還給孩子們聊起了航天飛機(jī)在入軌那一瞬間給她帶來(lái)的感受”，因?yàn)橐蝗胲壖刺幱谑е貭顟B(tài)了.文獻(xiàn)[4]與本文的觀點(diǎn)完全一致.物體在重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球及其物體還要受到太陽(yáng)等其它星體的作用，即馬赫所說(shuō)的慣性力，還有地球的自轉(zhuǎn)等因素，此時(shí)地球和物體僅僅處于其它星體的引力場(chǎng)中，根據(jù)廣義相對(duì)論也可以認(rèn)為是局域慣性系，因?yàn)榇藭r(shí)地球及其周?chē)奈矬w圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)處于完全失重狀態(tài)，類(lèi)似于在宇宙飛船中物體好像沒(méi)有受到重力一樣，在月球上做實(shí)驗(yàn)不用考慮地球的引力一樣，當(dāng)年伽利略設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明相對(duì)性原理時(shí)，考慮到地球的自轉(zhuǎn)等因素，其實(shí)船上所有的物體應(yīng)該說(shuō)具有相同的加速度，此時(shí)為慣性系，這是對(duì)于牛頓經(jīng)典力學(xué)中慣性系的推廣，廣義相對(duì)論把這個(gè)事實(shí)作為其一個(gè)出發(fā)點(diǎn).若以“太陽(yáng)”為參考系——那么地球上的物體，在太陽(yáng)引力的作用下當(dāng)然隨同地球一起繞日轉(zhuǎn)動(dòng)；若以“地球”為參考系——那么地球上的物體所受到的太陽(yáng)引力，與這些物體繞日轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力相抵消，因此這些物體對(duì)太陽(yáng)“失重”了——地球上的物體，所能感受的只是地球所產(chǎn)生的引力場(chǎng)。所以，地球上力學(xué)定律的有效，當(dāng)然是參照地球引力場(chǎng)，而不會(huì)參照太陽(yáng)引力場(chǎng)！這與自由飛行航天器中的物體對(duì)地球“失重”是一樣的道理——以航天器為參考系，那么航天器中的物體，所受到的地球引力，與這些物體繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力相抵消，因此，這些物體對(duì)地球“失重”了——航天器中的物體，所能感受的只是航天器本身所產(chǎn)生的引力場(chǎng)（盡管非常弱）。所以，航天器中力學(xué)定律的有效，當(dāng)然是參照航天器的引力場(chǎng)，而不會(huì)參照地球的引力場(chǎng)。而自由落體電梯內(nèi)的物體對(duì)地球也“失重”了；所以，自由落體電梯內(nèi)力學(xué)定律的有效，當(dāng)然是參照電梯本身所產(chǎn)生的引力場(chǎng)，而不會(huì)參照地球引力場(chǎng)。其實(shí)，牛頓定律之所以能在地球、地心-恒星坐標(biāo)系、日心-恒星坐標(biāo)系中都有效，并非因?yàn)檫@些坐標(biāo)系是“慣性系”，而因?yàn)檫@些坐標(biāo)系都是關(guān)聯(lián)于運(yùn)動(dòng)物體所處“引力場(chǎng)”的坐標(biāo)系！力的獨(dú)立性作用原理也說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題，否則無(wú)法定量計(jì)算，我們可以結(jié)合廣義相對(duì)論進(jìn)一步理解力的獨(dú)立性原理.筆者認(rèn)為在宇宙飛船中做與重力無(wú)關(guān)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)沒(méi)有影響，愛(ài)因斯坦當(dāng)年就是從這一點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)了理想電梯從而深入研究推導(dǎo)出廣義相對(duì)論的.在人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，往往存在這樣的情況，任何一個(gè)反常意義下的思維，卻可能給與科學(xué)發(fā)展帶來(lái)難以估量的深遠(yuǎn)影響，真理就是在經(jīng)驗(yàn)面前站得住腳的東西.2.航天器里的微重力問(wèn)題嚴(yán)格地說(shuō)，微重力是指低到有效重力水平為地球表面重力的百萬(wàn)分之一，才算是微重力.在地球表面或低空營(yíng)造微重力環(huán)境，方法有多種（例如落塔法、懸吊法、水浮法、拋物飛行法等），以現(xiàn)在微重力實(shí)驗(yàn)室里的落塔為例，當(dāng)落塔的下降加速度a=g，就完全失重；如a略小于g，就屬于正向微重力；如a略大于g，就屬于反向微重力.目前對(duì)微重力有許多廣義的理解，常把微重力理解為微小重力或低重力，有時(shí)衡量標(biāo)準(zhǔn)也稍稍放松一點(diǎn)，例如落塔實(shí)驗(yàn)中，有效重力水平達(dá)到地面重力的10-4-10-5量級(jí)的微重力環(huán)境，就算是微重力狀態(tài)了.根據(jù)干擾力的來(lái)源和性質(zhì)的不同，可將微重力加速度環(huán)境分為三類(lèi):①準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加速度（幅度一般不超過(guò)量級(jí)），②瞬態(tài)加速度（幅度通?？梢缘竭_(dá)量級(jí)），③振動(dòng)加速度（幅度一般在～量級(jí)）范圍.如果只考慮萬(wàn)有引力，以航天器為參照系應(yīng)該處于完全失重狀態(tài)，可是文獻(xiàn)[1][2]卻由此得出宇航員處于微重力的狀態(tài).文獻(xiàn)[1]得出宇航員在遠(yuǎn)地點(diǎn)(距離地面350km)重力大約是地面重力的3.88%，在近地點(diǎn)(距離地面200km)的重力大約是地面重力的4.05%，文獻(xiàn)[2]在中間取了一個(gè)數(shù)值343km得出宇航員的重力大約是地面重力的0.026%，顯然不是處于微重力狀態(tài)，計(jì)算是錯(cuò)誤的，與實(shí)際也不符，事實(shí)上航天器在太空的重力環(huán)境未及地球上重力的100萬(wàn)分之一到10萬(wàn)分之一，是典型的微重力環(huán)境.以文獻(xiàn)[2]為例如果僅僅考慮萬(wàn)有引力的話(huà)，在近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)如果不考慮其他因素慣性力始終恰好抵消萬(wàn)有引力，該文得出的微小差別是因?yàn)樗脭?shù)據(jù)本身的精度達(dá)不到使最后結(jié)果有1N的精度，地球半徑取6400km（文獻(xiàn)[1]取6370km），只精確到100km，該航天器的軌道高度３４３ｋｍ確精確到1km，軌道半徑6743km，43km是無(wú)意義的數(shù)字.以地面為參照系地球表面的重力是地球引力與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力下面重新分析一下宇航員處于微重力的原因，大氣層的的高度過(guò)去認(rèn)為厚約800km，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)離地球16000km的高空，還存在著氣體的痕跡.其實(shí)宇宙飛船在距離地面200～400km的高度運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有完全脫離大氣層，還受到空氣阻力等因素的影響.此外太陽(yáng)光壓、太陽(yáng)的電磁輻射、太陽(yáng)宇宙線(xiàn)、太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)、銀河宇宙線(xiàn)、微流星體、重力梯度效應(yīng)以及軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)作、宇航員的活動(dòng)等因素，使得宇宙飛船不是完全在萬(wàn)有引力作用下的自由運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)萬(wàn)有引力計(jì)算的軌道和宇宙飛船實(shí)際運(yùn)行的軌道就有微小差別，這才是宇航員處于微重力狀態(tài)的真正原因.由于這些萬(wàn)有引力以外的力的作用因素大部分相互抵消，它們的合力對(duì)于航天器軌道的影響極小，現(xiàn)有的儀器幾乎無(wú)法測(cè)量，所以微重力的測(cè)量只能大致估計(jì)一個(gè)區(qū)域.我國(guó)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星，其近地點(diǎn)高度＝439km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度＝2384km，也沒(méi)有完全脫離大氣層，人造衛(wèi)星也是處于微重力環(huán)境.萬(wàn)有引力與向心力的差等于重力是對(duì)于地面系而言的，以航天器為參照系不成立.若不考慮空氣阻力等萬(wàn)有引力以外的力的作用因素航天器里的人就完全失重，例如當(dāng)航天器返回時(shí)軌跡為拋物線(xiàn)此時(shí)以航天器為參照系也是完全失重.假定地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)僅僅考慮萬(wàn)有引力的因素，在地球上我們就失去了太陽(yáng)對(duì)我們的引力，我們只受地球的引力.由于航天器里的微重力是由于萬(wàn)有引力以外的力的作用引起的，大部分都相互抵消，剩余的微重力方向是不斷變化的，實(shí)驗(yàn)中我們幾乎無(wú)法觀察，而按照文獻(xiàn)[1][2]的方法理解微重力的方向指向地心，那么航天器里的物體會(huì)沿著這個(gè)方向運(yùn)動(dòng).當(dāng)航天器處于變軌（或軌道修正、航天器自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）狀態(tài)，部分推進(jìn)器處于工作狀態(tài)，除了軌道加速度外還有變軌加速度，此時(shí)航天器里的的物體也有重力，因?yàn)榇藭r(shí)航天器并非只受到萬(wàn)有引力的作用.3.重力與引力的區(qū)別重力由地球?qū)ξ矬w的吸引而產(chǎn)生，但物體所受重力并不定等于地球和物體間萬(wàn)有引力。地球?qū)ξ矬w的引力是一種有心力，方向指地心。而物體所受重力P的大小一般比所受地球引力為小，方向也不指向地心，它是使物體產(chǎn)生重力加速度g的原因。下面作較詳細(xì)的分析說(shuō)明。如圖所示，把地球近似地看作正球，它要繞地軸AB自轉(zhuǎn)。今把通過(guò)地軸并指向某一恒星的直線(xiàn)作為慣性參考系的坐標(biāo)軸。設(shè)有一質(zhì)量為m的物體在地表附近作自由落地運(yùn)動(dòng)，則該物體除自由下落外，同時(shí)還要隨地球繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)當(dāng)物體在下落過(guò)程中達(dá)地面高度為h時(shí)，它所受地球引力為F=GM·m／(R+h)2，式中M為地球質(zhì)量，R為地球的平均半徑，F(xiàn)的方向指向地心。把F分解成Fn和P，F(xiàn)n為提供物體隨地球自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力，其方向垂直于地軸AB，大小為Fn=mω2(R+h)cosθ，式中ω為地球自轉(zhuǎn)的角速度，θ物體所在處的緯度。P才是使物體加速向地面下落的力，也就是我們常說(shuō)的重力，方向豎直向下，但一般并不指向地心。由圖可以看出，根據(jù)余弦定理有：P2=F2+Fn2－2FFncosθ，將P=mg，F(xiàn)n=mω2(R＋h)，及F=GM·m／(R+h)2=mg＇（g＇表示物體因受地球引力而產(chǎn)生的加速度）代入上式，整理并開(kāi)方可得用二項(xiàng)式定理將上式展開(kāi)并略去（R＋h）2ω4／g＇2以上的高次項(xiàng)得：若物體在地表附近，則h<<R；略去h2／R2以上的高次項(xiàng)得mg＇=GM·m／R2(1－2h／R)(2)將(2)式代入(1)式并整理得：(3)式表述了重力隨緯度和高度變化的關(guān)系?？梢钥闯鑫矬w所受重力的大小與所受地球引力的大小，除兩極（θ=90°，外，一般是不同的。以m=1千克，h=1000米，θ=45°處為例，由于M=5.98×1024千克，R=6.378×106米，ω=7.29×10-51／秒，G=6.673×10-11米／千克·秒2，從(2)和(3)式分別可以算得：地球引力mg＇=9.8051牛頓，重力mg＝9.7898牛頓。關(guān)于重力方向的計(jì)算可就圖中△mFP應(yīng)用正弦定理得：Sin(θ＇－θ)／Sinθ＝Fn／P=(R+h)ω2cosθ／mg∴θ＇－θ=arcsin[(R+h)ω2sin2θ／2g](4)式中θ＇為重力作用線(xiàn)與赤道平面的夾角。以處于θ＝45°，h=1000米處物體為例將g=9.7898米／秒2，ω=2π／86400（1／秒）代入(4)式可算出θ＇－θ=9′8″，這說(shuō)明引力與重力方向一般不同，后者并不指向地心。參考文獻(xiàn)：[1]張藝芳，HYPERLINK"/Article/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20http://Search.aspx?q=author: