太空科学课（二）

太空熊猫君

你的体重是多少？如果没法立刻回答上来，站到体重秤上，轻轻松松就能得到标准答案。没错，在地球上的我们测量身体或者是其他物体的重量非常简单。这是因为地球表面上的所有物体都会受到地球引力的影响。

科学家们很早就发现，地球表面上的一个物体的重量——严格来说应该叫作质量，和它受到的重力服从简单的比例关系：G=mg，G是物体受到的重力，单位是力学单位N（牛顿）;m是物体的质量，单位是质量单位kg（千克）;g是重力加速度，身处地球表面的我们可以把它视为一个常数，也就是一个固定值。通过这个公式，只需要测量出地球表面物体所受到的重力，就可以计算出它的质量。

最传统的体重秤都是利用了弹簧的胡克定律。早在1678年，英国科学家罗伯特·胡克就发现，在弹簧上悬挂重物之后，它的伸长量和这个重物的重量是成正比的，物体越重，弹簧就会被拉伸得越长。利用这个原理，我们就可以通过弹簧的伸长量来测量物体所受到的重力了。不过，现在我们普遍使用的电子秤应用的原理就有些不同了。它的内部会有一个弹性元件，当我们在电子秤上方放置物体之后，物体的重力就会形成对电子秤表面的压力，这个压力会使得弹性元件发生变形，变形后的弹性元件的电阻也会发生变化，这种变化被电子设备检测到，就可以换算出物体的重量了。

不过，虽然原理不一样，但我们在地球上测量物体的重量都需要借助重力。可是，太空之中是失重环境，物体之间无法通过重力产生形变，航天员在太空里要如何测量体重呢？

想解决这个问题并不难，在天宫一号空间实验室的太空课堂中，王亚平就给我们演示了如何在太空测量体重。王亚平先是展示了一个弹簧装置，两根弹簧下端分别悬挂着两个不同质量的物体。在地面上，由于重力的影响，两个物体会将弹簧拉伸到不同的长度，而在太空当中，弹簧的长度并没有发生变化。指令长聂海胜配合王亚平将四肢搭在一个金属架子上，随后收紧四肢将身体牢牢地固定在上面，随着金属架子的自动收缩，它旁边的显示屏上就出现了聂海胜的体重：74千克。

真神奇！为什么一个会动的金属架子可以准确地测量出体重呢？其实，这个架子叫作太空体重计，而它测体重的原理，正是鼎鼎大名的牛顿力学三定律之中的第二定律——加速度定律。根据加速度定律，物体在受到外力的时候，它所获得的加速度和外力的大小成正比，和它自身的质量成反比。看着有点晕？别急，让我们慢慢分析一下吧！

上节课中，我们讲了惯性定律：如果一个物体没有受到任何外力，它将保持静止或者匀速直线运动。那么，如果一个静止的物体持续受到一个外力的作用呢？它就会像猛踩油门的汽车，开始不断加速运动。人们发现，如果这个力的大小和物体的质量恒定不变的话，物体运动速度的变化也是恒定的。举个例子，前一秒速度由20m/s增加到30m/s，下一秒就会从30m/s增加到40m/s。总而言之，每秒钟速度就会增加10m/s，这就是加速度。物体不变，如果这个力越大，它的加速度就越大;同样的力作用在不同质量的物体上，质量越大的物体的加速度就会越小。这就是牛顿提出来的加速度定律，这个定律也被写作公式F=ma，F是物体受到的外力，m是物体的质量，a则是它的加速度。

现在你应该知道了，航天员在太空测量重力的方法，其实就是利用了这个定律。太空体重计开始工作之后，会产生一个固定的力来收缩整个装置，同时测量装置运动后的加速度，那么通过加速度定律的公式，我们只需要用這个力除以加速度的大小，就可以得到航天员的体重啦！其实，加速度定律甚至可以说是力学乃至整个物理学的基础，在各行各业的应用非常广泛。将火箭发射升空，让航天器运行到指定轨道，卫星、空间站绕地飞行，理论基础都是加速度定律。

原理弄明白了，但我们在地球上测量体重好像大多是为了减肥，航天员为什么在太空中还要测体重呢？清华大学航空航天学院郝红伟研究员给出了专业的回答：“工作压力大不大？睡眠好不好？食物营养够不够？锻炼有没有效果？这些人体健康状况都能够表现在体重的变化上。”原来，对航天员的体重测量，也是为了了解他们的身体状况，随时保障我国航天工作的顺利开展呢！

2021年12月9日，中国空间站“天宫课堂”第一课正式开讲，王亚平向地面上的我们展示了空间站的结构以及科研项目，还做了一些全新的科学实验。是哪些新的有意思的科学实验呢？让我们下期一起解读吧！