太空中到底有没有重力呢?

重力是怎么产生的呢?

电影里常常出现宇航员在太空失重的场景,那么太空中到底有没有重力呢?要解决这个问题,我们就要先搞懂啥是重力。简而言之,重力是两个有质量的物体间的相互作用。任何两个有质量的物体间就会产生重力互相牵拉。

重力的大小取决于两个物体之间的距离,离得越远,重力就越弱。这个力的大小也取决于两个物体的质量。质量越大,重力就越大。我们可以用一个等式来表示:

在这个等式中,最重要的就是常数G,即万有引力常数,它的值是。

所以重力是非常小的。若是两个物体中的一个拥有超大质量,像地球那么重(),我们才能注意到重力的存在。

太空中有重力吗?

现在来看看问题所在。如果太空中有重力,那么为什么宇航员会在太空中漂浮?这个现象让大家误以为太空中没有重力,甚至有些人称之为“零重力”。

这个问题的答案是,太空中“是”有重力的。回顾一下上面的重力方程,当你从地球表面移动到太空时,这个方程有什么变化?唯一的区别是你和地球中心之间的距离(r),所以随着距离的增加,重力减小了,但是重力改变了多少?让我们一起快速地估算一下怎么样?

将地球半径粗略记为,有了这个值,一个质量为70千克的人就会有686.7牛顿的重力。现在假设这个人上升到国际空间站的轨道高度,距离地球中心400公里。将这个距离带入公式,重新计算,这个人就会产生是608牛顿的重力,这大约是站在地球表面时重力的88%。但从这样的计算中,你会发现太空中明显存在重力。

这里还有另一个证据。为什么月球会绕地球转动?答案是:重力。为什么地球绕着太阳转?是的,它是重力造成的。在这两种情况下,两个相互作用的物体之间存在着显著的距离,但是引力仍然“工作”,即使在太空中也是如此。

但是为什么宇航员会在太空中漂浮呢?其实他们是在轨道上漂浮,如果有一个超级高塔进入太空,它们就不会四处漂浮。“失重”环境是由航天器或太空站内的人的轨道运动引起的。这才是真正起作用的。如果人类唯一的受到的力是重力,那人就会感到失重。当人站在高塔上会产生两种力量,一种是向下的重力,另一种是塔对人向上的支持力。而宇航员在轨道上上,因为只存在引力,才会导致了那种失重的感觉。

实际上,你甚至不需要进入轨道就能感到失重。什么时候重力是唯一作用于你的力呢?假设你站在一座建筑物顶部的电梯里。由于你处于静止状态,所以合力是零,这意味着向下的重力与地面的向上支持力保持平衡。若是把支持力移走,即让电梯加速,产生与自由下落的物体一样的加速度。在这种情况下,你将会掉进电梯里。而此时唯一的力就是重力,你就处在了无重力的条件下。

最后,人们似乎对重力产生了巨大的误解。他们的推理大抵是这样的:太空中没有空气,因此,如果没有空气,就没有重力,所以宇航员在太空中是失重的。这种无空气/无重力的想法在电影中经常出现(实际上并不正确)。

在宇航员返回时,会发生什么?

在宇航员重返大气层时,航天器进入大气层并遇到空气阻力(因为有空气)。让我们从一个简单的力图开始,取这个运动的某一点,来展示宇宙飞船的状态。

虽然重力能作用于所有物体,但也存在空气阻力会使宇宙飞船在向下运动时减慢速度。如果人类要安稳地留在宇宙飞船里,那么人类(从接触面上)也必须有额外的力量,如支持力。所以,这不是失重——事实上,由于加速度,人类感受到的重力比正常的更大。这个情况你很熟悉了,因为在电梯里,同样的事情也会发生在你身上。当电梯在往下移动的时候,它也在减速。在这段时间里,你会感觉有点重,因为地面上的力量推着你。你并不是真的更重,你只是因为加速度而有这种感觉。

蝌蚪五线谱编译自wired,译者 小赵,转载须授权