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在太空中宇航员为什么没有被太阳引力吸引而是处于失重状态?
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在太空中宇航员为什么没有被太阳引力吸引而是处于失重状态?
我们在看宇宙员在太空行走的画面或者视频时,会发现他们好像不受到任何重力作用而悬浮在空中,这就是我们常说的失重状态。但是按常理分析,这些宇航员在太空中势必会受到其它星体特别是太阳和地球的引力作用,那么为什么宇航员没有被因引力作用而最终坠落到这些星体之上,而是处于悬浮在空中的失重状态呢?
我们先来看一下什么是失重。从物理学定义来说,失重是指物体不被引力所作用,那么这个不被引力作用的表述,并不是说物体没有受到引力,因为按照万有引力定律,任何有质量的物体之间都会产生作用,这个引力值与物体的质量成正比,与它们之间的距离平方成反比,虽然宇宙空间很空旷,但也分布着无数大质量的各类天体以及其它有质量的星际物质,因此将一个物体放到太空中,它必然会受到各种星体和星际物质的万有引力作用。
不被引力作用的概念,我们可以这么去理解,就是物体在太空中所受到的各种万有引力处于一个平衡的状态,这就是完全的失重。其实,在宇宙中我们是极难找出这种引力完全处于平衡状态的点位,因为物体在各种引力源所构成的引力综合场中,其也是处于每时每刻地运动之中,也就是说相对于这个物体,引力源的共同质心总会在发生着变化,当综合引力的平衡出现相应微弱变动时,这个物体实际上所处的环境就是微重力环境。
在物理学中,判断一个物体是否完全处于失重状态有一个明显的标志,就是物体的组成部分之间没有相互的作用力,比如压力、拉伸、剪切等应力作用。根据牛顿第二和第三定律,当物体与支持物之间的压力为0时,这个物体和支持物的整体运动加速度应该等于它们所受到的重力加速度。当a=g时,才能够使得支持力等于0,对外才表现出失重的状态。
那么,从受力效果来看,当一个物体在地球上作自由落体运动时,它的加速度就等于重力加速度,这个物体也是处于失重状态的。而如果宇航员在地球的外部作太空行走时,其也受到地球的重力加速度,不过这个数值会因距离地球质心的距离拉大一些而有所减弱,我们根据重力加速度的计算公式:g=GM/(r^2),当一个宇航员在地球上方200公里的轨道上时,其重力加速度与在地表的9.8米/(秒^2)相比,仅降低了6%左右,而相对于与太阳的距离来说,其距离的变化几乎可以忽略不计,此时受到太阳引力产生的重力加速度,大约为地球提供的60%。那么,在这样的引力环境下,根据上面的分析,宇航员势必会受到另外的作用力,使其运动加速度与受到的地球、太阳引力的重力加速度相当,这另外的作用力又是什么呢?
无论是月球围绕地球,还是地球围绕太阳,这种运动形式都是周期性的公转,这种公转的产生来源于星体诞生之时所吸聚物质所具有的角动量,在角动量守恒定律的条件下,吸聚的物质越多、距离核心区越近,这个转运的速度也会越快。而在万有引力作用下,这个引力的作用效果起到了维持星体转运的向心力的作用。因为作匀速圆周运动的物体,其运动方向时刻在发生改变,那么就必然存在着一个能够改变加速度的外力作用,万有引力在此就发挥了重要作用,做匀速圆周运动的物体,其所受到的向心加速度,方向正好指向引力源的质心,数值也正好等于引力提供的重力加速度。因此,我们可以这么理解,在太空环境中的宇航员,他也处于与地球或者别的星球的公转惯性参照系内,其之所以会表现出失重状态,是因为引力充当了向心力的作用,使得所受到的重力加速度等于重力加速度,从而没有表现出被吸引坠落的效果,从某种意义上来说,宇航员在太空中的失重状态,与自由落体的原理是差不多的。
那么,又有一个问题来了,为何感觉自由落体明显下坠,而宇航员在漂浮呢?我们假设宇航员处于地球上空同步轨道内,那么这位宇宙员就会拥有着与地球自转和公转相同的运动速度。宇航员相对于地球来说,在引力作用,其实他也是朝着地球坠落的,只不过这个引力充当了他绕着地球同步转动的向心力,结果是虽然在做着朝向质心的自由落休整运动,只不过拥有着与地球赤道自转线速度一样的切向速度(465米/秒),那么在下落的过程中,由于地球的表面也发生着弯曲,这个速度保证了宇宙员与地面的距离始终是固定不变的,从而不会落到地球上。
同样的道理,宇航员在地球上空的同步轨道内,也会受到太阳的引力作用,这个引力提供的重力加速度数值也不小。只不过,宇航员也会跟着地球围绕太阳公转,拥有与地球一样的公转线速度(30公里/秒),宇航员其实也是在向太阳作自由落体运动,不过太阳的引力也充当了向心力,由于太阳表面也是弯曲的,在这样的速度下,宇航员在坠落的过程中,其切向速度也保证了宇航员与太阳的距离始终维持在一个稳定的数值,不会坠向太阳。
通过以上的分析,宇航员之所以会悬浮在太空中处于失重状态,主要是其受到的重力加速度与自身运动所表现出来的加速度加等。而万有引力提供了围绕其运动的向心力,满足了失重的条件,在围绕地球和太阳运动的同时,虽然在坠落,但是由于地球和太阳表面是弯曲的,其横向运动速度达到的数值,确保其永远坠落不到引力源中心。
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非常感谢大师兄的信任和邀请,同时感谢题主贡献的问题。这是一个简单却很有内涵的话题,那么我们到底应该如何理解失重呢?
1.先来说说什么是失重。
失重是一个物理学的名词,是指有质量的物体在引力场中自由运动时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,这里举一个例子,如果不计空气阻力,那么处于自由落体运动物体就是失重状态。
从这个例子我们也可以看出,失重并非不受引力的作用,而是不表现重量或重量较小的一种状态。在进行太空行走的宇航员其实就是处于这种情况,当然也是受到地球和太阳的引力作用的。
2.太空中的宇航员受到引力加速度有多大?
从我们的经验当中引力当然是很大的,毕竟我们竭尽全力奋力一跳也就2尺高,超过2层楼高的坠落非死即伤。我们忽略了这中间的一个事实,人处于地球表面的时候,所受到的加速度是来自整个行星给我们的引力作用。
这个加速度在地球表面的大小只有9.8米每秒的平方,比如老郭体重为60千克力。在100公里的轨道高度上,这个数值仅仅减少大约3%,在这个高度上宇航员中受到太阳引力产生的加速度约等于6米每秒的平方。
3.宇航员失重是怎么回事呢?
其实宇航员是处于自由落体运动状态由于其具有横向速度(轨道线速度),宇航员在自由下落的过程中,地球的表面也跟着弯曲,并始终与宇航员保持一定的距离,所以宇航员不会掉到地球上。
宇航员在围绕地球旋转的同时,也跟随地球一起围绕着太阳旋转,太阳给予宇航员的引力加速度,提供了围绕太阳运动所需要的向心力。同样道理,在宇航员掉落向太阳的过程中,由于太阳表面也是弯曲的,所以宇航员不会掉落到太阳表面。
宇航员的这种感觉,我们在地面有时候也会体会到。比如在坐过山车,当过山车经过一个垂直的圆形轨道高点的时候,就会感觉自己好像轻了;或者是我们开车通过拱桥的高点也有同样的好像要离开座椅的感觉。
结束语
理解宇航员的运动状态,需要了解万有引力定律和圆周运动的规律。感谢牛顿,让我们知道了太空和地面都符合同一套简单的物理法则。
我是@郭哥聊科学,你有问题,我有答案,专业为您解答各种物理问题,欢迎您的点赞、评论、转发和关注。
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我们需要明白何为失重。
失重,并不代表不受太阳等天体的引力作用,理论上讲引力的作用范围是无限大的,所以宇航员在太空中照样会收到太阳引力作用。
那么,宇航员为何会失重呢?
这里就以在地球上方的空间站为例。空间站上的宇航员感受到的失重,通俗地理解其实就是“宇航员一直在做自由落体运动”,所以宇航员感受到了失重。
在生活中,我们每个人都可以随时体会到失重的感觉,简单的跳起来,下落的过程其实就是失重,气不过这个过程太短暂了,加上我们的视角仍旧停留在地面附近,所以无法体会到真正的失重。
如果你乘坐电梯时“有幸”遭遇到了电梯失灵,电梯自由落体下落,你就能对失重身临其境了!
不同的是,宇航员的自由落体并不是垂直地面运动,而是水平方向也有速度,当这个速度足够快时,就不会落到地面上。“牛顿大炮”就是这个道理。
实际上,你可以简单地这样理解,你扔一块石头,石头总是会落下来。但如果你力气足够大,给石头足够快的速度,石头就不会落下来了,而是会做像宇航员那样的自由落体运动!
太空中的宇航员一定会朝着某个天体做自由落体运动!
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三年级学生的提问。
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根据牛顿万有引力理论,物体具有质量而在物体之间产生的一种相互作用。它的大小与物体的质量以及两个物体之间的距离有关。物体的质量越大,它们之间的万有引力就越大,物体之间的距离越远,它们之间的万有引力就越小 。
(飞船脱离地球的引力过后,就会受到太阳引力吸,但是飞船本身有动力,然后别的行星也有引力,但是没有太阳的大,等于说,你在前面跑,太阳在后面拉,结果刚好碰到别的行星在你前面拉你,所以,你不会被太阳吸进去!如果前面拉的太猛,你就稍微减一点你飞船的动力!这样就平衡了在太空中太阳和航天员之间的吸引力。)宇航员不会被太阳引力吸过去,而在太空中宇航员是处于失重壮态。