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航天和潜水过程中失重和超重的问题

2012-06-29 10:06:29 来源:

最近大家对航天员失重超重的问题很关心,但有的对这一概念的描述仍不是非常准确。

首先要明确定义:失重是指物体在引力场中自由运动时有 质量而不表现重量的一种状态,又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。超重是指超重是物体所受限制力(拉力或支持力)大于物体所受重力的现象。当物体做向上加速运动或向下减速运动时,物体均处于超重状态,即不管物体如何运动,只要具有向上的加速度,物体就处于超重状态。超重现象在发射航天器时更是常见,所有航天器及其中的宇航员在刚开始加速上升的阶段都处于超重状态。(引自网络)

航天飞行过程中,航天员从静止开始加速的时候存在失重的问题,主要是因为出了重力加速度外,又增加一个火箭远离地球的加速度。同样是超重失重,对飞行员和航天员产生的影响有很大区别。一般情况下我们人类能耐受超重的能力有一定极限,其中最关键的原因是在超重过程中,人体的血液会发生重新分布,由于身体一般组织不具有流动性,而血液和淋巴具有流动性,相对固定的组织和液体之间产生不同的应力,可以考虑一个试管内的液体,在加速过程中,一部分力会通过液体传递到管壁,形成额外的液体压力。而对血管这样有弹性的管道,超重失重可以导致血液在身体不同部位重新分布。例如我们在垂直情况下,如果正立,随着失重增加血液会从头部逐渐转移分布到下肢,形成下肢的血压增高,而上肢和头部的血压降低,导致血液朝加速度相反的方向分布。正立情况下正加速度由于头部血液供应急速下降,会导致脑血液供应不足。从而导致飞行员或航天员发生晕厥,这种表现类似于体位性低血压,体位性低血压又叫直立性脱虚,是由于体位的改变,如从平卧位突然转为直立,或长时间站立发生的脑供血不足引起的低血压。由于航天员在火箭发射过程采取特殊的姿势,而飞行员受各种因素限制无法采用类似的体位,因此航天员可以耐受实际超重的能力可大大增加。一般的飞行员如果可以耐受10个G的超重,那就是精英级的了。

因远离地球导致的重力降低和失重并不是一个概念。在太空舱由于距离地球和地球表面有一定差距,根据万有引力定律,重力加速度和距离地球重心的距离有关,地球对航天员吸引力肯定比地球表面上要低,但这种减少并不是失重,失重本质上是让物体在重力作用下加速运动,而加速运动的物体内部相对失去相互作用的状态,比较典型的失重是在失去控制的电梯自由下落过程中,人员就是失重状态。

有人把人员离开地球导致的重力减小作为失重并不准确,同样道理把深海下潜重力增加作为超重的看法也不准确,如果把人员在月球上重力下降作为失重就更不靠谱,在月球上重力是地球上的1/6,主要是因为月球的质量小。这1/6的重力没有来自地球的任何贡献。相对地球来讲,月球上的人仍会受到地球的吸引,但这个重力完全变成了加速度,是典型的失重状态。同样的道理,我们在地球上的人仍会受到来自太阳的吸引力,但这种吸引力也变成克服我们围绕太阳旋转的离心力了。

失重导致的肌肉萎缩和骨钙丢失是太空飞行遇到的重要问题。由于人在正常生活情况下持续克服重力,例如我们必须用肌肉和骨骼来支撑我们的体重,如果失去重力,支持我们体重的肌肉和骨骼的作用失去价值,就必然会发生废用性萎缩和骨质丢失,这也是目前航天飞行中遇到的医学难题之一,这种影响对航天员返回地面适应重力环境是非常大的问题。

另外吴中祥老师在“蛟龙”载人潜水,“神九”载人飞天,的几个力学问题的科普中所述“蛟龙”载人潜水过程中存在失重和超重问题,除非在加速下潜的过程中有一点失重,在减速下潜阶段存在超重,在加速上浮阶段有一点超重,在减速上浮阶段有一点失重。这些情况非常类似于电梯的情况,不会有非常明显的效应。在载人潜水技术中,这是一个微不足道的问题。

 

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