微重力之妙：你的誤解有幾多？
前言：
2016年4月6日凌晨，中國微重力衛(wèi)星“實踐十號”成功升空，其目的是利用太空中的微重力環(huán)境進行科學研究。
問題來了，太空不都是失重環(huán)境嗎？這個微重力又是怎么回事？還有，在微重力環(huán)境下，有哪些神奇的效應？
出品 | 科普中國
制作 | 寒木釣萌
監(jiān)制 | 中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
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01
微重力環(huán)境下的大不同
太空環(huán)境與地面截然不同，很多地面上的經(jīng)驗決不能輕易照搬到太空，否則將可能帶來災難。而人類要進軍太空，就要深入研究太空微重力環(huán)境下各種與眾不同的現(xiàn)象，并掌握其規(guī)律以便在生命科學、材料科學等方面獲得新突破。
圖為NASA在國際空間站上做的燃料實驗，火焰呈球形。
蠟燭的火焰在地面和太空中區(qū)別。
美國阿波羅登月計劃中，阿波羅12號曾發(fā)生電線短路并引發(fā)火災，還好沒有影響到任務。而阿波羅13號就不同了，它在前往月球的途中，距離地球大約32.2萬公里時，氧氣罐爆炸并導致電線起火，最終，宇航員只能無奈地對休斯頓指揮中心說了一句非常有名的話：“休斯頓，我們出問題了?！贝舜蔚窃氯蝿兆罱K失敗。
顯然，航天器在太空出現(xiàn)火災是致命的，我們需要深入研究微重力環(huán)境下的種種燃料現(xiàn)象，以此指導航天器的防火設計以及有效的滅火措施。
例如，通過研究微重力環(huán)境下的燃燒，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。即，某些物質(zhì)，比如庚烷液滴在燃燒時，當火焰熄滅以后，并沒有停止燃燒，而是還在持續(xù)不斷地“燃燒”，只是這種燃燒我們看不到火焰而已。試想，如果我們一直不知道這種現(xiàn)象的存在，那么有一天航天器上類似這些物質(zhì)起火時，當我們以為火災已滅，但其實還沒有，后果將不堪設想。
微重力環(huán)境下，流體的表現(xiàn)與地面也不相同。圖為NASA航天員Scott Kell在微重力環(huán)境下做的水球“乒乓”展示。兩個拍子擊打水球，就像打乒乓球。
水球滴入顏料后立即變色。
水球中加入發(fā)泡物質(zhì)后，像一顆寶石般的水球開始膨脹。
而且水球還噴射出了一顆綠色小液滴，你看到了嗎？
02
失重與微重力
當我們站立時會受到向下的地心引力，還有向上的支撐力。那么，平時我們感覺到自己有多重時，這種感覺到底是來自地心引力，還是來自支撐力？
顯然，答案是來自支撐力。
那這是不是說，如果失去支撐，我們就將失去對重力的感覺？是的，這就是我們常說的失重。
例如，一個人從高處墜落，在墜落的過程中，因為失去了支撐，所以此人將體驗到類似太空中才有的失重。
既然自由墜落能產(chǎn)生失重，那么，空間站等航天器中的失重是否也是因為它們每時每刻都在向地面墜落的緣故？答案也是肯定的。不光人造衛(wèi)星、空間站在向地球墜落，連月球也在一刻不停地向我們砸來……
我們從山頂水平扔出一塊石頭，此時，你能否認，這塊石頭沒有在墜落嗎？
不能。
石頭雖然在水平方向前進，但這根本就沒有妨礙到石頭也在墜落的事實。
既然，我們不能否認上面的事實，那我們也不能否認人造衛(wèi)星、空間站、月球等也在一刻不停地向地面墜落。
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，要想造出失重的環(huán)境，可以讓物體自由墜落，如自由墜落的電梯、飛機等。不過這只能帶來短暫的失重，而各種航天器如空間站、衛(wèi)星等則是長期處在失重環(huán)境，這些家伙在不停地墜落，卻又一直沒有掉落到地面，這真是好極了！
03
什么是微重力？
說完了失重的成因，現(xiàn)在咱們繼續(xù)探討“微重力”。
微重力就是微小的重力嗎？顯然不是！
我們平常說的重力是由地球引力產(chǎn)生的。而引力跟距離的平方成反比，所以，不少人會誤認為，人造衛(wèi)星所在的軌道因為距離地面比較遠，因此地球?qū)λ鼈兊囊苄?，所以叫做微重力。這是不對的。
地球表面的重力加速度g≈9.8m/s^2，即一個原先靜止的物體從高處墜落，1秒后速度為9.8米每秒，第二秒后速度為19.6米每秒。
眾所周知，重力的大小跟重力加速度密切相關，所以，我們常用重力加速度g來衡量重力的大小。
距離地球越遠，重力加速度就越小，然而，就算是在距離地面200千米的高度，重力加速度也沒有降多少，大約為0.94g，而在1000千米的高度，重力加速度為0.75g。也就是說，一個物體在地面重100N，到了1000千米高度，依然受到75N的地球引力。
國際空間站離地球的距離不超過420千米，因此，它受到的地球引力并沒有減少多少。實際上，我們還可以這樣想，地球的半徑就有6372公里，所以，類似國際空間站、天宮一號等等這樣的航天器，可以說，它們幾乎就在地球表面，受到的地球引力沒有減少太多，這是理所當然的。
因此，如果我們把“微重力”理解為微小的重力，或者是微小的地球引力，肯定是不對的。只有當距離地球很遙遠時，才會出現(xiàn)地球引力很小的情況，如下圖：
顯然，唯有距離地球幾十萬公里以上時，其受到的地球引力才可稱之為微引力，微引力和微重力是兩回事。
那么，大眾媒體所說的微重力又是怎么回事呢？它是怎么產(chǎn)生的？
通常我們說的微重力環(huán)境，它其實跟地球引力的關系不是那么大，因為它主要是由其它外在因素造成的。
為了說明這些外在因素，咱們來舉一個例子。
上文已經(jīng)說，在地面附近做自由落體時，因為失去了支撐，也就失去了對重力的感覺，這就是失重。然而，咱們再仔細想想，一個跳水運動員在空中時，難道她真的就失去了所有支撐？
答案是沒有，因為還有空氣阻力，這個阻力會給運動員一個微小的支撐，使其還能感受到一絲極其微弱的“重力”。
同理，國際空間站、天宮一號和各種近地軌道衛(wèi)星，它們在高速運行時，其實也會受到太空殘余大氣的阻力，并帶來“微重力”。
舉個極端的例子，如果國際空間站在運行的過程中，由于未知因素突然遭遇一大團極其濃密的氣體，大氣阻力導致其運行速度急劇變慢。此時，之前還漂浮在空間站里面的航天員，他們將會迅速往前沖去，并砸在前方的艙壁上，這個沖過去的過程，其實就跟蘋果掉落并砸在牛頓身上的過程是一樣的。
以上，只是說了產(chǎn)生微重力的一個主要因素，實際上還有別的因素，如航天器進行姿態(tài)調(diào)整時產(chǎn)生的推力、人員在航天器內(nèi)的走動，以及重力梯度等等，在此我們不再一一細說。
04
從地面到太空的微重力
要想獲得微重力環(huán)境，最好的當然是大型空間站。但它們通常都很貴，比如國際空間站的建造和維護成本就高達上千億美元。而且，由于種種原因，我國并沒有參與到國際空間站的建設當中，不過沒關系，預計4年以后，中國就將擁有一個成熟完善的空間站。但是在這之前，使用衛(wèi)星是一種相對省錢快捷的方式，比如我國今天發(fā)射的“實踐十號”微重力衛(wèi)星。
除了以上這些，還有那些能獲得微重力環(huán)境呢？很多，比如失重飛機。
圖為失重飛機在俯沖期間提供微重力環(huán)境
很多人誤認為，失重飛機只有在俯沖時才會提供微重力環(huán)境，然而并非如此。上圖中，失重飛機在黃色區(qū)域有向上的加速度。此時，飛機內(nèi)是超重環(huán)境，這跟你坐電梯快速上升，或者是電梯快速下降后急劇減速一樣，都會感覺自己變重了。而藍色階段為失重（微重力環(huán)境）階段，為什么上升還會有失重呢？如下圖：
人造衛(wèi)星的軌道為一個橢圓，但是，如果你從局部去看，如上圖兩個綠色箭頭所指的那一段，是不是就是一個拋物線呢？而失重飛機就是特意營造了這么一個拋物線軌道，這個小拋物線軌道，你可以認為是飛機短暫地變成了一顆人造衛(wèi)星，并短暫地環(huán)繞地球飛行。
現(xiàn)在的失重飛機不但面向各國的科研單位開放，還面向眾多想體驗失重的普通人，當然，體驗價格不菲。某運營失重飛行的公司為了宣傳，不但把霍金弄上天過了一把癮，還把一位著名模特請上天失重了一回。
除了失重飛機，其實還有一種更簡便的方式，那就是從高處直接砸下來，簡單又粗暴，快捷又方便，這就是微重力落塔。
圖為中國科學院力學研究所的落塔，它是繼德國Bremen落塔之后世界上第二座在地面上建成的超百米落塔，高116米，可獲得3.60秒的微重力時間。
德國Bremen落塔，高123米，可獲得至少4.74秒的微重力時間。
除了科學研究功能，德國Bremen落塔也是一道亮麗的風景線
（也許是他們比較會照相）
“實踐十號”是一顆技術要求較高的返回式衛(wèi)星，也是中國科學衛(wèi)星系列中，繼暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”之后，發(fā)射的第二顆衛(wèi)星。在太空的這段時間里，它將進行微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學等實驗。
祝愿它圓滿完成任務！
參考資料：
1.《空間微重力燃燒研究現(xiàn)狀與展望》 張璐 劉迎春
2. Micro-g environment wiki
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