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失重(物理名词)

物体在引力场中自由运动时有质量而不表现重量或重量较小的一种状态,又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。确切地讲,当加速度竖直向下时为失重状态。 [1]

失重现象主要发生在轨道上或太空内或在其他一些不正常情况下(远离星球或大重量物体)。

失重,是指物体失去了重力场的作用,当物体处于失重状态时物体除了自身重力外,不会受到任何外界重力场影响。

所谓重力,是物体所受地球的引力的一个分力(大小几乎等于引力)。引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。就质量一定的天体来说,物体离它越远,所受它的引力越小,即重力越小,在足够远的距离上,它的引力可以忽略不计。但宇宙中不只一个天体,众多天体的引力会形成一个引力场。因此,太空不会是失重环境。当然,就局部地区来说,如在地月系统中,只考虑地球与月球的引力,在地球与月球之间的某些点上,地球与月球的引力相互抵消,重力为零。在日地之间也有引力平衡点。绕地球飞行的载人飞船,离地面一般只有几百千米,那里的太空当然不会是零重力环境,即使在36000千米高空绕地球飞行的航天器,其周围太空也不会是零重力,而只能是轻重力,即重力比地球表面上小(几乎可以忽略不计)。 利用飞机作抛物线飞行或利用自由落体原理设计的失重塔只能提供短暂的失重感。航天器在环绕地球运行或在行星际空间航行中处于持续的失重状态。在环绕地球运行的轨道上,实际上只有航天器的质心处于零重力,其他部分由于它们的向心力与地球引力不完全相等而获得相对于质心的微加速度,这称为微重力状态。航天器上轨道控制推进器点火、航天员的运动、电机的转动以及微小的气动阻力等都会使航天器产生微加速度。因此,航天器所处的失重状态严格说是微重力状态。航天器旋转会破坏这种状态。在失重状态下,人体和其他物体受到很小的力就能飘浮起来。长期失重会使人产生失重生理效应。失重对航天器上与流体流动有关的设备有很大影响。利用航天失重条件能进行某些在地面上难以实现或不可能实现的科学研究和材料加工,例如生长高纯度大单晶,制造超纯度金属和超导合金以及制取特殊生物药品等。失重为在太空组装结构庞大的航天器提供了有利条件。

由牛顿第二定律得:N+ma=mg所以N=m(g-a)<mg

由牛顿第三定律知,物体对支持物的压力<mg

完全失重的定量分析:

当a=g时,支持力为N,由牛顿第二定律知:

mg-N=ma=mg 所以N=0

由牛顿第三定律可知,物体对支持物的压力为0

得出结论:向下加速向上减速:加速度方向向下,产生失重现象

故只要加速度方向向下就是失重,与速度方向无关.

经常有人认为失重是不受重力,这是错误的。对于此教科书的解释是:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象称为失重(weightlessness)现象 [2]

但是航空器在轨道上的失重不是重力消失或大幅度减小的结果(事实上,在100KM高度上,地球重力仅仅比地球表面减少大约3%)。失重现象主要发生在轨道上或太空内或在其他一些不正常情况下的(远离星球或大重量物体)处于引力平衡点的零重力的环境下,这种现象应被称为完全失重。物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象叫失重(假如说地球重力消失了,那么人只要轻轻一跳将会向着一个方向永远飞行下去)。

影片《卧虎藏龙》中大侠们“腾云驾雾,飞檐走壁”的绝技在太空飞行中可是易如反掌,你只要轻轻一点脚,人就会腾空而起,在空中自由的飞来飞去,本领之大,超过人们的想象。以上这种现象常被人误以为是失重现象,这种现象应被称为似微重力现象。

绕行轨道时的向心加速度由重力加速度提供,因此圆周运动的太空船所受合力提供了太空船做圆周运动的向心力。而每个时间点的瞬时加速度,都将指向地球中心。在外太空,太空人和太空船里每一件物件受到地心引力,都以同样的速度绕地球运动,所以在太空中会呈现失重状态,所有的物质都无法测出重量的。


  

平衡是我们最常见的物体的一种运动状态。但是,力的平衡与失重完全是两回事。例如,人站在地上,坐在椅子上,躺在床上,乘坐飞机等速飞行等,都是处于力的平衡状态,但并不失重。因为在这些情况下,人体内部各部分之间都存在相互的作用力。真正的失重模拟,应使人体各部分特别是体内器官、内脏之间互相作用力消失。在这种情况下,人的前庭器官中的耳石由于失重,不再与周围的神经细胞接触而向中枢神经传输信号,从而丧失定向功能。前庭器官与人体主管呼吸、消化、循环、排泄、发汗等功能的植物神经系统有密切关系。所以,一旦前庭器官不起作用,身体内脏之间正常的相互作用消失,就会引起航天飞行员产生头晕恶心、呕吐等症状 [3]
  

在过去三十多年太空飞行中,俄和美国的科学家收集了一些初步的数据。这些数据显示,失重对内分泌、红白血球的产量、内耳平衡器官及骨质的疏松,都有一定程度的影响,但最明显的生理失重状况,莫过于太空失水及其引起的一些症状,如太空贫血、内分泌降低、双腿肌肉萎缩等。失重还会引起骨骼失钙的後果,与上了年纪的骨质疏松症(osteoporosis)极为相似。

在微重力物理、化学科学方面也有了长足的进展。大量收集了在失重下燃烧、材料、流体方面的数据。在蛋白质晶体生长方面更有突破性的进展。每次太空飞行都带著上百个蛋白质结晶实验,这对人类的医学方面贡献是极为巨大的。

完全失重是一种理想的情况,在实际的航天飞行中,航天器除受引力作用外,不时还会受到一些非引力的外力作用。例如,在地球附近有残余大气的阻力,太阳光的压力,进入有大气的行星时也有大气对它的作用力。根据牛顿第二定律,力对物体作用的结果,是使物体获得加速度。航天器在引力场中飞行时,受到的非引力的力一般都很小,产生的加速度也很小。这种非引力加速度通常只有地面重力加速度的万分之一或更小。为了与正常的重力对比,就把这种微加速度现象叫做“微重力”。其实,航天器即使只受到引力作用,它的内部实际上也存在微重力,这是因为航天器不是一个质点,而是具有一定尺寸的物体。人们常用

.完全失重的定量分析:

当a=g时,支持力为N,由牛顿第二定律知:

mg-N=ma=mg

所以N=0

由牛顿第三定律可知,物体对支持物的压力为0

判断物体是否完全失重一个最重要的标志是,物体内部各部分、各质点之间没有相互作用力,即没有拉、压、剪切等任何应力。

在环绕地球飞行的飞船上,失重的原因是g=向心加速度,当速度达到第一宇宙速度能够环绕地球飞行时,发生这种失重,如果我们把地球比作环绕太阳飞行的飞船,我们也是处于相对太阳的“失重”状态,因为地球万物没有受到太阳“重力”的影响。

在如建材、粮油、矿山等散状物料计量或在线控制配料时,有很多种方法。比较典型的有:皮带秤类、冲板流量计类、核子秤类、圆盘给料秤类。这些计量形式各有特点,但是局限性很大,受设备机械变化影响大,精度不高,安装调校烦琐,维护量大。

皮带秤工艺介绍,流程:

皮带秤将单位面积(称重段)上受到的负荷信号与变化速度(皮带转速)信号进行积分运算得出流量值,以此作为可控制的对象。

注:通过控制拖拉式皮带转速,改变拖出的物料量,物料经给料溜槽的出料口整形后, 其厚度稳定均匀,无论皮带机转速大小,皮带上的负荷都是恒定的。 与其它给料方式相比, 该方式计量与控制精度效果较好。

注: 给料与称量功能分别在两条皮带上实现

连续式计量方法在连续搅拌设备上使用现状

连续式搅拌设备包括:稳定土厂拌设备,水泥连续式搅拌设备,沥青连续式搅拌设备。就计量精度而言,这些设备不能与间歇式相提并论。因此,连续式搅拌方法受不到广大用户的青睐,也是原因之一。科学分析可以说明,这两种计量方法决定的搅拌工艺都有其适用的场合,不能由于暂时的技术限制而影响连续式搅拌的应用。

我国连续式搅拌设备均采用容积法或皮带秤/螺旋秤两类来计量,七十年代从欧洲引进开发连续搅拌工艺至今,一直如此,始终未有突破。事实上,这两种计量方法在欧洲使用能够作到高精度,例如德国申克(Schenck)的皮带配料秤,动态配料精度达到2%。而在中国却不行,原因在于受到我国机械制造及材料等基础工业的制约。目前我国用于公路行业的皮带秤计量精度一般只能达到5%左右,与容积计量相差无几,长期稳定性较差。

连续称重的革命差分减量(失重)秤

失重秤(英文Loss-in-weight)是九十年代开始应用于工业过程称重连续计量的。失重秤逐渐替代皮带秤、螺旋秤,甚至累加秤,作为一种全新的计量方法,逐渐应用到越来越多物料处理。

1.基本原理:

将秤量斗及给料机构作为整个秤体,通过仪表或上位机不停对秤体进行重量信号的采样,计算出重量在单位时间的变化比率作为瞬时流量,再通过各种软硬件的滤波技术处理,得出可以作为控制对象的“实际流量”。

这个流量的获取非常重要,是失重秤能否准确计量的基础。图中介绍的是一种经典的方法:然后FC通过PID反馈算法,进行逼近目标流量的控制运算,输出调节信号去控制变频器等给料机控制器。

2.差分减量秤(失重秤)在实际中的应用:

从原理上可以看出它不受秤体与给料机构的机械变化影响,它只是计算重量差值(差重),与传统动态计量手段相比,其优点是不言而喻的。

对于控制对象为流量(t/h ,kg/min ),而且物料可输送性好,计量精度要求高时,采用失重法计量可以作为一种最佳方案。

3.失重秤设计必须注意的事项,影响精度的因素:

失重秤兼有静态秤、动态秤特点,因此,在设计系统时,要求:

正确的输送率范围,一般实际工作范围为额定输送量的60%~70%最佳。若采用交流调速,对应变频率为35-40Hz最佳。这样保证调节范围宽。还由于在输送率过低时,系统稳定性差。传感器量程选用适当,按公式

也就是说,传感器也用到其量程的60%~70%,信号变化范围宽,对提高精度极为有利。

机械结构设计要确保物料流动性好,同时保证补料时间短,补料不应过于频繁,一般要求5-10分钟补一次料。

配套传动系统要保证运行平稳,线性好。

4.应用前景:

随着电子控制技术的飞速发展,失重秤通过采用新的技术,在计量精度上由0.3%~0.5%。而提高到0.1%~0.2%,甚至到超过静态秤,这一新技术的核心即数字式称重传感器的应用。

称量传感器的应用

为了适应动态测量的需要,在称重系统中作为系统输入端的传感器至关重要。特别在需要智能化的场合,传感器的直接或间接数安化已必不可少,此时测量不确定度和测量速度往往是一对矛盾,两者很难兼得,而需根据实际情况作折衷选择。在称重领域,我国大量生产和应用的都是传统的模拟式传感器,模拟信号的输小。以生产量最大、采用电阻应变原理的称重传感器为例,一般最大输出为30-40mV。故其信号易受射频干扰,电缆传输距离也短,通常在10m以内。在使用多个传感器并联的容器称重系统(料斗秤式配料秤)、平台称重系统或秤桥(汽车衡或轨道衡)中,利用数字系统可实现“自校准”。这是因为多通道的数字传感器系统,不存在阻抗匹配问题。用户输入各传感器的地址、秤量和灵敏度,即可自动进行秤的“四角”或“边角”平衡,不必一次次地反复调整信。而在模拟系统中多个传感器关联接线后,每个传感器的特性就不再是可辨别的了,校准时需在每一个传感器上施加砝码并利用接线盒中的分压器进行调整。由于调整时存在着交互作用,因而反复多次。在数字系统中,则允许分别复核作为单体的每一个传感器。因此,校准装有数字传感器系统的所有花费的时间,仅为模拟系统的1/4。

利用数字系统可以实现“自诊断”,即诊断程序连续地检查各传感器信号是否中断、输出是否明显超出范围等。若有问题,在仪表或控制器面板上会自动显示或报警,用户利用面板上的键即可寻找各个传感器,独立地确定问题原因并进行故障排除。这种直觉诊断和故障排除能力,对用户显然是一种重要优点,而在模拟传感器系统中则是很难忘以低成本实现的。

在称重领域中,典型模拟传感器系统的模数变换器的分辨力为16比特,即有50000个可用计数;而数字系统中每一个传感器的分辨率为20比特,即有1000 000个可用计数。所以,一个装有4个数字传感器的系统即可提供4000 000个计数的分辨率。这种高分辨率的优点,特别适用于秤架自重大而被称物重量小的场合。例如:在配料称重系统中,有时配方中某种物料仅占很小比例,但准确度要求却仍然很高。这在传统的模拟系统中同样是很难实现的。

许多行业有丰富应用失重秤的经验。如:水泥厂配料。在工程塑料、化纤、光纤等等众多行业已广泛普及。有些行业由于采用了连续失重计量,可以保证落料按比例混合,而弱化搅拌需要,简化了工艺。国外发达国家这一产品很成熟,如德国申克公司,布达本拉(brabender),瑞士开创(ktron)公司,技术处于国际最领先地位。其中开创公司由于采取了数字传感器技术动态精度可达0.25%。以工业过程称重而言,已经达到静态秤精度。在连续式搅拌机械上的应用及前景影响:由于国内连续式搅拌设备计量停留在传统的方法上,因此,推广失重秤应用前景将十分广阔,对稳定土厂拌、水泥连续搅拌、沥青连续搅拌工艺起到革命性的改变,对流量的精准控制将会制造出非常合格理想的混合料。由于连续式拌和工艺结构简单,维护费用低,因此一旦在产品级配上把好关,将彻底改变连续式拌和的市场占有低的现状。特别是公路、水电行业所需的高产设备,具有重大意义。

赛摩失重秤过静态秤称量完整的给料系统(料仓、给料机和散状物料)及通过变速电机或电振机控制散关物料的卸料流量。物料(通过螺旋、振动管或槽)从系统卸下,将按每个单位时间(dv/dt)测量的"失重"与所需给料量(预设值)进行比较,实际(测量)的流量与期望的(预设)流量之间的差异会通过给料控制器(MT2104)发生纠正信号,该控制器能自动调节给料速度,从而在没有过程滞后的情况下保持精确的给料量。当料仓中测量的重量达到料仓低料位(重新加料)时,控制器将给料系统按容积给料进行控制,然后料仓快速重新装料(手动或自动),失重控制器重新动作。在批称量失重系统中,设计与连续失重系统相似,然而,给料(批量) 循环最终重量的精度要比实际的给料量控制更高。6104控制器通过向变速驱动器提供高给料信号以完成快速给料,然后转换到低给料控制信号用于在批量结束时精确控制。

人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机进入轨道后,其中的人和物将处于失重状态.人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器进入轨道后,可以认为是绕地球做圆周运动,做圆周运动的物体,速度的方向是时刻改变的,因而具有加速度,它的大小等于卫星所在高度处重力加速度的大小.这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似,航天器中的人和物都处于完全失重状态。

你能够想象出完全失重的条件下会发生什么现象吗?你设想地球上一旦重力消失,会发生什么现象,在宇宙飞船中就会发生什么现象.物体将飘在空中,液滴呈绝对球形,气泡在液体中将不上浮.宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服,走路务必小心,稍有不慎,将会“上不着天,下不着地”.食物要做成块状或牙膏似的糊状,以免食物的碎渣“漂浮”在空中进入宇航员的眼睛、鼻孔…….你还可以继续发挥你的想象力,举出更多的现象来 [3]

你还可以再想一想,人类能够利用失重的条件做些什么吗?下面举几个事例,将会帮助你思考。这里所举的事例,虽然还没有完全实现,但科学家们正在努力探索,也许不久的将来就会实现。

在失重条件下,融化了的金属的液滴,形状呈绝对球形,冷却后可以成为理想的滚珠.而在地面上,用现代技术制成的滚珠,并不绝对呈球形,这是造成轴承磨损的重要原因之一。

玻璃纤维(一种很细的玻璃丝,直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件.在地面上,不可能制造很长的玻璃纤维,因为没等到液态的玻璃丝凝固,由于它受到重力,将被拉成小段.而在太空的轨道上,将可以制造出几百米长的玻璃纤维.

在太空的轨道上,可以制成一种新的泡沫材料枣泡沫金属.在失重条件下,在液态的金属中通以气体,气泡将不“上浮”,也不“下沉”,均匀地分布在液态金属中,凝固后就成为泡沫金属,这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼,又轻又结实.

同样的道理,在失重条件下,混合物可以均匀地混合,由此可以制成地面上不能得到的特种合金.

电子工业、化学工业、核工业等部门,对高纯度材料的需要不断增加,其纯度要求为“6个9”至“8个9”,即99.9999%~99.999999%.在地面上,冶炼金属需在容器内进行,总会有一些容器的微量元素掺入到被冶炼的金属中.而在太空中的“悬浮冶炼”,是在失重条件下进行的,不需要用容器,消除了容器对材料的污染,可获得纯度极高的产品.

在电子技术中所用的晶体,在地面上生产时,由于受重力影响,晶体的大小受到限制,而且要受到容器的污染,在失重条件下,晶体的生产是均匀的,生产出来的晶体也要大得多.在不久的将来,如能在太空建立起工厂,生产出砷化镓的纯晶体,它要比现有的硅晶体优越得多,将会引起电子技术的重大突破.

没有翅膀的鱼和蚂蚁竟然可以优哉游哉地飘浮在空中,这可不是魔术表演的现场,也不是在模拟太空失重环境,而是发生在西北工业大学实验室的真实一幕。主持这项实验的解文军是西北工业大学的材料物理学家 [4] ,当然科学家们并非故意在和这些小动物开玩笑,而是在进行一项声悬浮研究。普通物体和动物由于自身的重力作用,如果不借助外力不可能克服地心引力,自由飘浮在空中。当然也有例外,宇航员在太空中也体验过失重的感觉,可以悬浮在空中。这是因为宇航员搭乘的航天器,运动轨迹处在两个天体的引力平衡点上,比如地球和月球的引力互相抵消,这时航天器就处在失重环境中,重力为零,自然就能飘起来了。这些飘浮在空中的鱼和蚂蚁难道也是因为科学家通过特殊手段为它们营造出了一个失重环境吗? “鱼和蚂蚁的飘浮不是一种失重现象。”失重的猜测马上遭到了解文军的否定,看来答案并非如此简单。 如果鱼和蚂蚁依然没有逃脱自身重力的作用,从力的平衡角度考虑,必定有一个来自外部的力量帮助它们克服了重力,最终实现飘浮。这个我们看不到的力量到底来自哪里呢解文军告诉我们,实际上他们只是巧妙利用了声波。在实验中,上面的声发射端发出声波,声波抵达下端的声反射端后被反射回来,反射回来的声波与继续向反射端传播的声波重叠,如此就形成了驻波,驻波不会像声波一样向前运动,只是在原地上下振动,振幅最大处叫波腹,振幅最小处即看上去静止不动处叫波节。只要把鱼和蚂蚁等小动物放到波节处,它们也就静止不动了。进行实验时,只要先调节好反射端到发射端之间的距离,波节位置就是固定的,这时只要用镊子将蚂蚁、瓢虫和小鱼等小动物放在这个位置就可以了。飘浮在空中的时候,这些动物都显得比较紧张,蚂蚁手舞足蹈地企图四处游走,瓢虫也使劲拍打着翅膀,似乎想飞走。但是它们的身体并没有受到伤害,不过小鱼的活力显然受到了一些影响,因为离开了有水的环境,所以当小鱼飘浮在空中的时候,解文军还在一旁不停地给小鱼进行“淋浴”。 事实上,早在2002年,解文军和同事就曾经利用声波悬浮起了固体铱和液体汞。从2003年起,他们开始关注有生命物体的声悬浮。那么,如果声波达到一定强度,是否有可能将人也悬浮起来呢?解文军说,实验证明,声悬浮原则上可以悬浮起一定体积的任何固体和液体,他们实验中悬浮的动物有地上爬的、水中游的以及天上飞的,但是小动物的尺寸都不超过1厘米。这是因为,声悬浮的原理决定了悬浮物体的尺寸必须小于半波长。对超声波段,可以悬浮的物体尺寸不超过1厘米。还没有看到能够悬浮像人这么大尺寸的物体的声悬浮器将活着的动物悬浮起来的实验国外也有科学家进行过尝试。1997年,荷兰奈梅亨大学的物理学家安德烈。杰姆和英国布里斯托尔大学的麦克尔贝利爵士,曾经使用磁石使青蛙飘浮起来。他们利用一块超导磁石将一只活着的青蛙飘浮在半空中。青蛙本身是一个非磁体,但是通过电磁石的磁场而变得有磁性。除此之外,超导体也会因为它们对磁场的排斥力而自动浮起。这一原理已在日本得到验证,1996年日本在磁场悬浮实验中,利用一个金属盘子将体重为142公斤的相扑运动员悬起。相同的原理也被用于研制磁悬浮列车,尽管使用的磁悬浮列车多用电磁场来实现,但它们的原理是一致的。

失重的不利影响很大,失重除了导致宇航员骨质损失外,还会导致宇航员肌肉松弛,免疫力下降和衰老。引发多种空间运动病,近20年载人航天史上,空间运动病频繁发生。下面一组数字足以说明这一点:原苏联上升号宇宙飞船上的航天员发病率约为60%,礼炮号空间站上的发病率为40%,美国阿波罗宇宙飞船上航天员以病率约是37%,天空实验室上为55.5%,航天飞机上为53%,这说明了空间运动病是航天学领域极待解决的问题。失重会使水份在人体内的分布发生变化。由于失去重力的作用,面部水份分布会增多,就会出现眼窝肿胀,面部水肿,眼帘变厚,皱纹消失,血浆容量减少,细胞内液丢失等现象失重还会使人体内心血管功能产生变化。具体变化如下:1.心功能下降。例如:心肌质量减少,收缩力下降等;2.人体心肌的病理性变化;3.冠状动脉和冠脉微血管的组织结构改变,毛细血管血液淤浸,出血,血管内皮细胞肿胀,破裂;4.心肌的生化改变,如蛋白质合成减少,脂质堆积,心肌胶原增加,去甲肾上腺素减少,钾钠离子减少;5.主动脉,腹主动脉有明显的内膜增生,脂质沉积,毛细血管萎缩,内皮细胞肿胀等;6.人体上身器官和组织中血液充盈度上升,下肢静脉血液充盈度下降,长期在失重状态下工作会使脑半球供血不对称(右升左降)而免疫系统呢?我们的身体每时每刻都会受到微生物的侵袭。比如细菌、病毒,一些原生动物等。一般情况下,这些微生物不会对人体造成伤害,甚至有些细菌对人体还是有益的。免疫系统保护着人体。人的免疫系统功能主要归功于人体各种各样的免疫细胞,其中,最重要的是B淋巴细胞和T 淋巴细胞。B淋巴细胞能够分泌抗体、阻止病原菌的入侵并标记致病菌,T淋巴细胞杀灭致病菌。但在太空中,这两种细胞就不那样“勤奋”了。比如,T淋巴细胞在太空中不能很好增殖,它们的数量大大少于在地球上的数量,并且,在体内的迁移以及相互之间的联系信号也不正常。从而使抵御外来致病菌的能力大大降低了。 [5]

美国约翰逊航天基地微生物研究中心的丹尼尔皮尔森说,宇航员咳嗽所喷出的小液体中所含有的病原微生物要比地球上正常人多8到10倍。这主要是因为失重等原因,使体内荷尔蒙释放异常,从而影响了T淋巴细胞的表现。有的是骨失。我们通常认为骨头是刚性的、不变的,然而事实并非如此。骨骼也是一种组织,它们的新陈代谢活动繁忙,它们的形状会因承受压力的变化而变化。骨骼组织中既有破骨细胞,又有成骨细胞。成骨细胞不断的贮藏磷酸钙,而破骨细胞不断地除去。通常情况下,这两种活动过程互相平衡。一旦你进入太空,重力几乎为零,骨头缺少压力,促使成骨细胞活动的刺激没有了,但破骨细胞的活动还在继续,因此,破骨与成骨的平衡被破坏了,骨骼被破坏的多,重建的少,导致骨骼物质流失,使骨骼变得脆弱。据研究表明,太空旅游者每个月会丢失1%到2%的骨头重量,到目为止,还没有找到有效防止的方法。研究还发现:太空中的辐射,失重,生物钟的调节以及精神上的压力,都会影响人类在太空中的生殖能力。男性精子染色体会受到影响,发育中的胚胎会被破坏。由于失重和辐射线会使男女内分泌失调,极易造成不孕,而即使能正常生育,孕妇及胎儿的健康也很难完全正常。钙质的流失会使孕妇的骨质疏松,而胎儿的钙质剧烈变化,会使新生儿痉挛,甚至丧命。如何加强太空中的防辐射设备,强化人体骨质,调整男女的内分泌系统,是实现太空移民梦必须克服的难题。除了以上几个重要影响外,失重还对人的味觉发生影响。因此,宇航员普遍抱怨在天上吃饭吃不出味道。那是因为,太空失重环境引起宇航员的味觉失调,如失重使鼻腔充血,导致味觉神经钝化,唾液分泌发生变化失重环境下哺乳动物不能正常繁衍后代日本理化学研究所和广岛大学共同成立的研究小组在2009年8月25日出版的美国《公共科学图书馆综合》(PLoS ONE)杂志上发表的一项研究成果指出:在国际空间站、航天飞机等接近失重的环境中,老鼠受精卵的发育会受到抑制,产仔率也大幅下降。  这一结果表明同为哺乳动物的人类可能也很难在太空繁衍后代。理化学研究所发生和再生科学综合研究中心(神户市)的研究小组组长若山照彦表示“通过调查受精卵发育需要多少重力,或许可以知道是否有可能在月面基地培育后代。”  研究人员使用特殊装置通过让实验容器旋转制造出地面重力千分之一的微重力环境,调查其对老鼠体外受精和产仔造成的影响。  结果发现,虽然能正常受精,但在受精卵分裂过程中,胎盘一侧聚集的细胞数少于通常情况,发育速度也有所减慢。将其注入雌鼠子宫之后可以正常产仔,但产仔率下降了将近一半。  过去开展的太空实验表明,鱼类和两栖类可以在太空正常发育。研究小组分析认为“造成这一状况可能是因为哺乳动物特有的胎盘的发育和重力有关”。  失重的科学定律  物体的重量来源于地心的引力,牛顿的万有引力定律,论述了地球的引力场作用于所有的物质。在宇宙星系中,所有的星球都存在一种引力场。《失重》一词,代表了物质失去了引力场的作用力,比如,人类在太空中脱离了地心的引力,其重量等于零,一切物质都呈现为漂浮状态。物质的重力相对于地心的引力作用,物质的密度和质量越大,相对于的重力就越大。脱离了地心的引力,一切物质都将在失重的状态下。在五维空间中,由于物质运行速度的量变,时间,地心引力,微重力,物质高速运行时所产生的离心力,以及物质的重力和失重都将会产生相对的作用量变/

自从1957年,苏联发射第一颗人造卫星以来,航天技术的发展可谓一日千里。运载卫星,航天飞船,载人卫星相继出现,地球的周围,已结满人类智慧的花朵,而我们已开始走出地球,来到外太空进行科学研究了。已有人类登上宇宙空间站进行科学研究。影响美国航天飞机从1982年开始就栽种植物种子到太空,观察它们在失重条件下的发芽生长情况:还载各种小动物到太空研究它们在失重条件下的活动和发育情况。1984年4月6日挑战号航天飞机升空,它载有蔬菜,水果,花卉等120个品种的种子,其中有1200粒西红柿种子,研究了宇宙辐射对植物种子的效应和失重状态对植物萌芽的影响。1992年9月12日升空的奋进号航天飞机,载有180只大黄蜂,7600只果蝇和30只受精鸡蛋等,进行了19项生物学实验,观察它们在失重环境的繁殖和习性行为。1993年10月18日哥伦比亚号航天飞机上天,还载有48只老鼠,研究了哺乳动物从微重力条件下返回地球重力场后对重力的适应过程。还有11项实验以航天员本身为实验对象,研究了太空对人体的影响。人们开始在太空栽培植物,看看植物是否还知道“上”和“下”的概念呢?从理论上讲,在太空失重的环境下,再加上24小时都有充沛的阳光,植物生长有条件比地球上优越得多。科学家期望,空间站能结出红枣一样大的麦粒,西瓜一样大的茄子和辣椒。但,结果却令人失望。为什么植物对重力这么依恋呢?按照温特的生物理论可以这样解释:长期生活在地球的植物形成一种独特的生理功能,当它受到重力刺激,在植物组织下部的生长素含量会大大增加,于是就使植物的根朝下生长,而茎则朝上生长。一旦失去重力作用,生长素就无法汇聚在适合的部位,使幼茎找不到正确的生长方向,只能杂乱无章地向周围发展,最终导致死亡。太空环境对生物的不利影响很多。

在太空上,只有模仿地球引力和负荷,加强运动才能解决肌肉萎缩,骨质疏松,心功能衰退的问题。新式太空服中必须有一套为人体补充维生素和紫外线辐射的装置,以解决这个问题,此外在太空中空气不会自由流动,通风机一定要不停地开动。>医生们治疗骨折时,通常是用石膏,夹板和绷带从外面将骨骼固定,保持骨骼固定性。但是,美国有一种内部固定技术,可使用于太空中,即在太空做手术。这种技术的好处是恢复快,痛苦少,甚至无痛苦,非常适用于太空。瑞士内部固定研究会和美国宇航局正对这方面的技术进行全面的研究并训练了多名外科医生。建立空间医院也是一个很重要的方面。它不仅负责心理治疗,更研究如何确保宇航员的生命安全其中包括研究如何采取物理预防措施,如体育运动,电刺激,下身负压,防护服等,还要研究空间用的药物,进行临床治疗与预防。空间药理学的任务是要寻找有效药物使血液重新分布正常化,消除小循环和大脑血液循环的部血现象,预防心脏活动的紊乱,提高站立耐力等。其中特别重要的是研制预防和治疗心律不齐药,强心剂,影响心肌能量储备药,调节血管张力药等。当然,根本性的解决办法是设法建立一个类似于有重力的特殊环境。对此我们设想可以利用离心力:让人生活在一个转动的轮子里,轮壁对人的支持力,形成向心力。而人对轮子就有压力。这样与地球上的重力相似。只要选取合适的轮子半径和转速,就可产生类似重力的力了。人生活在这样的环境中会不会觉得头晕呢?这是可能的,因为:人具有高度,这样头和脚的转动半径就会不一样,因而受到的向心力就会不同,这可能会引起生理上的不适,导致头晕等感觉。但这个问题是完全可以解决的,我们分析:要减少这种感觉,就要减少头与脚的向心加速度的差距。

还有一个问题:在宇宙中无依无靠,怎样才能使轮子转起来呢?根据动量守恒定律,利用两个轮子分别向相反方向转动。首先,可把一具电动机装在两个轮子的圆心上,一个接定子,一个接转子,当开动电动机时,两个轮子就以相反方向的速度旋转,当达到一定的转速时,关闭电动机,轮子就可永远不停歇地转下去。(不考虑阻力)

做到这样,人类既可以在失重环境下工作,又可在有模拟重力的环境下生活,就能使太空的科学研究和生产活动更持久,取得更好效果。不妨想象一下吧,人们在这个环境中生活和在地球上是完全一样的,跳起来,一样会落下去,水也会向低处流,鹰击长空,鱼游水底也能在太空成为现实,甚至人们的重力还是可以调节的,只要调节转速就可以改变向心加速度(类似于地球上的重力加速度),人们也可以在那个环境中进行体育健身活动,建立一个在太空中的足球场在理论也是可行的,当人们踢足球时,就将重力加速度调小,运动员们就可以跳得更高,跑得更快,比赛就会更精彩,那该是多么的美妙啊!我们坚决认为,只有建立一个这样的环境,人类大规模利用太空才能成为可能。


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