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航天中失重和超重問題

汽笛聲 2018-06-15 來源:汽笛聲原創 組織:汽笛聲 1194 0 收藏 0

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       來源:科普云

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首先要明確定義:失重是指物體在引力場中自由運動時有質量而不表現重量的一種狀態,又稱零重力。失重有時泛指零重力和微重力環境。超重是指物體所受限制力(拉力或支持力)大于物體所受重力的現象。當物體做向上加速運動或向下減速運動時,物體均處于超重狀態,即不管物體如何運動,只要具有向上的加速度,物體就處于超重狀態。超重現象在發射航天器時更是常見,所有航天器及其中的宇航員在剛開始加速上升的階段都處于超重狀態。
航天飛行過程中,航天員從靜止開始加速的時候存在失重的問題,主要是因為除了重力加速度外,又增加一個火箭遠離地球的加速度。同樣是超重失重,對飛行員和航天員產生的影響有很大區別。一般情況下我們人類能耐受超重的能力有一定極限,其中最關鍵的原因是在超重過程中,人體的血液會發生重新分布,由于身體一般組織不具有流動性,而血液和淋巴具有流動性,相對固定的組織和液體之間產生不同的應力,可以考慮一個試管內的液體,在加速過程中,一部分力會通過液體傳遞到管壁,形成額外的液體壓力。而對血管這樣有彈性的管道,超重失重可以導致血液在身體不同部位重新分布。例如我們在垂直情況下,如果正立,隨著失重增加血液會從頭部逐漸轉移分布到下肢,形成下肢的血壓增高,而上肢和頭部的血壓降低,導致血液朝加速度相反的方向分布。正立情況下正加速度由于頭部血液供應急速下降,會導致腦血液供應不足。從而導致飛行員或航天員發生暈厥,這種表現類似于體位性低血壓,體位性低血壓又叫直立性脫虛,是由于體位的改變,如從平臥位突然轉為直立,或長時間站立發生的腦供血不足引起的低血壓。由于航天員在火箭發射過程采取特殊的姿勢,而飛行員受各種因素限制無法采用類似的體位,因此航天員可以耐受實際超重的能力可大大增加。一般的飛行員如果可以耐受10個G的超重,那就是精英級的了。
因遠離地球導致的重力降低和失重并不是一個概念。在太空艙由于距離地球和地球表面有一定差距,根據萬有引力定律,重力加速度和距離地球重心的距離有關,地球對航天員吸引力肯定比地球表面上要低,但這種減少并不是失重,失重本質上是讓物體在重力作用下加速運動,而加速運動的物體內部相對失去相互作用的狀態,比較典型的失重是在失去控制的電梯自由下落過程中,人員就是失重狀態。
有人把人員離開地球導致的重力減小作為失重并不準確,同樣道理把深海下潛重力增加作為超重的看法也不準確,如果把人員在月球上重力下降作為失重就更不靠譜,在月球上重力是地球上的1/6,主要是因為月球的質量小。這1/6的重力沒有來自地球的任何貢獻。相對地球來講,月球上的人仍會受到地球的吸引,但這個重力完全變成了加速度,是典型的失重狀態。同樣的道理,我們在地球上的人仍會受到來自太陽的吸引力,但這種吸引力也變成克服我們圍繞太陽旋轉的離心力了。
失重導致的肌肉萎縮和骨鈣丟失是太空飛行遇到的重要問題。由于人在正常生活情況下持續克服重力,例如我們必須用肌肉和骨骼來支撐我們的體重,如果失去重力,支持我們體重的肌肉和骨骼的作用失去價值,就必然會發生廢用性萎縮和骨質丟失,這也是目前航天飛行中遇到的醫學難題之一,這種影響對航天員返回地面適應重力環境是非常大的問題。


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