航天員的太空授課讓我們看到了空間站中的微重力環(huán)境帶來的諸多神奇的現(xiàn)象。 微重力環(huán)境是指物體的重量接近于零，也就是我們常說的失重環(huán)境。但是，空間站中為什么會失重呢？我們把這個問題再擴大一點，軌道上環(huán)繞地球飛行的航天器及其內(nèi)部的物體為什么會失重呢？

中國空間站內(nèi)的航天員（圖片來源：中國載人航天官網(wǎng)）

我們先來看看幾種比較流行的誤解：

誤解一：環(huán)繞地球飛行的航天器同時受到地球引力以及圓周運動帶來的離心力作用，二力平衡合力為零，所以航天器失重。

錯誤原因：牛頓第一定律告訴我們，在不受到外力（包括受到的合力為零）的情況下，物體會保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)。而航天器環(huán)繞地球運動，所以上述說法不成立。實際上，離心力是一種虛擬力，而不是真實存在的力。在不考慮太陽光壓、地球大氣阻力、月球引力等非常小的力的情況下，航天器環(huán)繞軌道飛行時只受到一個主要的力的作用，那就是地球引力。

誤解二：航天器距離地球比較遠，受到的地球引力很小，所以失重。

錯誤原因：以空間站為例，空間站距地面約400公里，重力加速度大約是地面上的89%，也就是說，空間站及其內(nèi)部的物品在這一軌道高度下受到的地球引力為地面的89%。而也正是由于這89%的地球引力的存在，空間站才會圍繞地球飛行，而不會脫離地球、飛向深空。

那么，在空間站中到底為什么會失重呢？失重，就是物體受到的支撐力或拉力小于物體的重力。重量和重力是兩個概念。重力只和重力加速度有關(guān)，理論上來說，在地球的同一個高度上重力不變。重量可以簡單理解為測量工具（例如秤）測量出來的力，也就是秤給予被測物體的支撐力。當(dāng)物體失去支撐，重量就會變成零，這就產(chǎn)生了失重。舉個生活中的例子，當(dāng)電梯快速下降時，電梯中的我們會感受到短時間的失重。這是因為電梯靜止不動時，電梯和電梯里的人受到的支撐力和重力相等；而電梯加速下降時，電梯和電梯里的人受到的支撐力小于重力。如果站在體重秤上坐電梯，電梯上下過程中我們就能觀察到重量的變化了。

目前制造微重力環(huán)境最常用的方法有4種：落塔、飛機、火箭和航天器。其中落塔最好理解，就是在高處將物體釋放使其垂直自由落體。物體自由落體的過程中，只受到重力作用，而沒有其他支撐力或拉力，因而處于失重狀態(tài)。位于德國不來梅大學(xué)的落塔塔高146m，在“跌落模式”下，實驗系統(tǒng)從120m的高度被釋放，系統(tǒng)中的物體可獲得4.74s的微重力時間；“彈射模式”下，實驗系統(tǒng)被垂直彈射到塔頂然后自由落回，系統(tǒng)中的物體最長可獲得9.3秒的微重力時間。

德國不來梅大學(xué)落塔（圖片來源：ESA官網(wǎng)）

失重飛機的原理與落塔的“彈射模式”原理類似，通過拋物線飛行來獲得微重力，軌跡見下圖。在中間段會將飛機發(fā)動機關(guān)機，前半段靠慣性保持上升狀態(tài)但速度逐漸減小，到達頂端后加速下降，即飛機減速上升及加速下降期間，飛機處于失重狀態(tài)。此時飛機的加速度方向向下，也就是受到的合力方向向下，即重力大于升力（空氣對飛機的支撐力），從而得到失重環(huán)境。

失重飛機飛行軌跡（圖片來源：維基百科）

同樣，空間站之所以失重，也是因為只受到重力的作用而沒有其他任何的支撐力，實際上處于落向地面的運動狀態(tài)。這似乎很難理解——空間站明明在環(huán)繞地球飛行呀？

空間站確實在落向地面，但是地球是球形的，在空間站落回地面的同時，地球的地平線也在下降。而空間站達到第一宇宙速度后其下降速度與地平線的下降速度相同，也就是永遠落不回地球了。

當(dāng)然，這是理論狀態(tài)?？臻g站在軌飛行時會受到太陽、月球引力、太陽風(fēng)、大氣阻力等影響，導(dǎo)致速度不斷降低，軌道高度隨之不斷下降。所以地面飛行控制人員會定期通過發(fā)動機推進保持它的軌道，這樣空間站就不會落回地球了。