失重

失重

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。失重是空間飛行環境的重要環境因素之一。判斷物體是否失重一個最重要的標誌是,物體內部各部分、各質點之間沒有相互作用力,即沒有拉、壓、剪下等任何應力。失重對人體有不好的影響。由於在地球上的人類經過演化,已經適應了重力條件下的生活,所以失重條件下會產生骨質疏鬆等病症。食物要做成牙膏狀,吸入口中,以免食物殘渣到處漂浮,殘渣吸入鼻中或落在儀器上都會產生不良影響。

基本信息

主要現象

經常有人認為失重是不受重力,這是錯誤的。對於此教科書的解釋是:物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小於物體所受重力的現象稱為失重(weightlessness)現象。

但是航空器在軌道上的失重不是重力消失或大幅度減小的結果(事實上,在100KM高度上,地球重力僅僅比地球表面減少大約3%)。失重現象主要發生在軌道上或太空內或在其他一些不正常情況下的(遠離星球或大重量物體)處於引力平衡點的零重力的環境下,這種現象應被稱為完全失重。物體對支持物的壓力小於物體所受重力的現象叫失重(假如說地球重力消失了,那么人只要輕輕一跳將會向著一個方向永遠飛行下去)。

失重失重

影片《臥虎藏龍》中大俠們“騰雲駕霧,飛檐走壁”的絕技在太空飛行中可是易如反掌,你只要輕輕一點腳,人就會騰空而起,在空中自由的飛來飛去,本領之大,超過人們的想像。以上這種

現象常被人誤以為是失重現象,這種現象應被稱為似微重力現象。

繞行軌道時的向心加速度由重力加速度提供,因此圓周運動的太空船所受合力提供了太空船做圓周運動的向心力。而每個時間點的瞬時加速度,都將指向地球中心。在外太空,太空人和太空船里每一件物件受到地心引力,都以同樣的速度繞地球運動,所以在太空中會呈現失重狀態,所有的物質都無法測出重量的。

失重特徵

判斷物體是否完全失重一個最重要的標誌是,物體內部各部分、各質點之間沒有相互作用力,即沒有拉、壓、剪下等任何應力。

人體失重

失重失重

平衡是我們最常見的物體的一種運動狀態。但是,力的平衡與失重完全是兩回事。例如,人站

在地上,坐在椅子上,躺在床上,乘坐飛機等速飛行等,都是處於力的平衡狀態,但並不失重。因為在這些情況下,人體內部各部分之間都存在相互的作用力。真正的失重模擬,應使人體各部分特別是體內器官、內臟之間互相作用力消失。在這種情況下,人的前庭器官中的耳石由於失重,不再與周圍的神經細胞接觸而向中樞神經傳輸信號,從而喪失定向功能。前庭器官與人體主管呼吸、消化、循環、排泄、發汗等功能的植物神經系統有密切關係。所以,一旦前庭器官不起作用,身體內臟之間正常的相互作用消失,就會引起航天飛行員產生頭暈噁心、嘔吐等症狀。

在過去三十多年太空飛行中,蘇俄和美國的科學家收集了一些初步的數據。這些數據顯示,失重對內分泌、紅白血球的產量、內耳平衡器官及骨質的疏鬆,都有一定程度的影響,但最明顯的生理失重狀況,莫過於太空失水及其引起的一些症狀,如太空貧血、內分泌降低、雙腿肌肉萎縮等。失重還會引起骨骼失鈣的後果,與上了年紀的骨質疏鬆症(osteoporosis)極為相似。

在微重力物理、化學科學方面也有了長足的進展。大量收集了在失重下燃燒、材料、流體方面的數據。在蛋白質晶體生長方面更有突破性的進展。每次太空飛行都帶著上百個蛋白質結晶實驗,這對人類的醫學方面貢獻是極為巨大的。

完全失重與微重力

完全失重是一種理想的情況,在實際的航天飛行中,太空飛行器除受引力作用外,不時還會受到一些非引力的外力作用。例如,在地球附近有殘餘大氣的阻力,太陽光的壓力,進入有大氣的行星時也有大氣對它的作用力。根據牛頓第二定律,力對物體作用的結果,是使物體獲得加速度。太空飛行器在引力場中飛行時,受到的非引力的力一般都很小,產生的加速度也很小。這種非引力加速度通常只有地面重力加速度的萬分之一或更小。為了與正常的重力對比,就把這種微加速度現象叫做“微重力”。其實,太空飛行器即使只受到引力作用,它的內部實際上也存在微重力,這是因為太空飛行器不是一個質點,而是具有一定尺寸的物體。人們常用10^-6-10^-4g來表示太空飛行器中微重力的水平。微重力越小,失重越完全。總之,完全失重狀態只是理想狀態,微重力才是實際情況。

.完全失重的定量分析:

中國客在俄體驗太空失重中國客在俄體驗太空失重

當a=g時,支持力為N,由牛頓第二定律知:

mg-N=ma=mg

所以N=0

由牛頓第三定律可知,物體對支持物的壓力為0

失重公式

失重失重

由牛頓第二定律得:N+ma=mg

所以N=m(g-a)

由牛頓第三定律知,物體對支持物的壓力

完全失重的定量分析:

當a=g時,支持力為N,由牛頓第二定律知:

mg-N=ma=mg 所以N=0

由牛頓第三定律可知,物體對支持物的壓力為0

得出結論:向下加速向上減速:加速度方向向下,產生失重現象

故只要加速度方向向下就是失重,與速度方向無關.

太空失重

在環繞地球飛行的飛船上,失重的原因是g=向心加速度,當速度達到第一宇宙速度能夠環繞地球飛行時,發生這種失重,如果我們把地球比作環繞太陽飛行的飛船,我們也是處於相對太陽的“失重”狀態,因為地球萬物沒有受到太陽“重力”的影響。

主要套用

連續式

1.傳統使用的連續式計量方法

失重失重

在如建材、糧油、礦山等散狀物料計量或線上控制配料時,有很多種方法

。比較典型的有:皮帶秤類、沖板流量計類、核子秤類、圓盤給料秤類。這些計量形式各有特點,但是局限性很大,受設備機械變化影響大,精度不高,安裝調校煩瑣,維護量大。

皮帶秤工藝介紹,流程:

皮帶秤將單位面積(稱重段)上受到的負荷信號與變化速度(皮帶轉速)信號進行積分運算得出流量值,以此作為可控制的對象。

註:通過控制拖拉式皮帶轉速,改變拖出的物料量,物料經給料溜槽的出料口整形後, 其厚度穩定均勻,無論皮帶機轉速大小,皮帶上的負荷都是恆定的。 與其它給料方式相比, 該方式計量與控制精度效果較好。

註: 給料與稱量功能分別在兩條皮帶上實現

連續式計量方法在連續攪拌設備上使用現狀

連續式攪拌設備包括:穩定土廠拌設備,水泥連續式攪拌設備,瀝青連續式攪拌設備。就計量精度而言,這些設備不能與間歇式相提並論。因此,連續式攪拌方法受不到廣大用戶的青睞,也是原因之一。科學分析可以說明,這兩種計量方法決定的攪拌工藝都有其適用的場合,不能由於暫時的技術限制而影響連續式攪拌的套用。

我國連續式攪拌設備均採用容積法或皮帶秤/螺鏇秤兩類來計量,七十年代從歐洲引進開發連續攪拌工藝至今,一直如此,始終未有突破。事實上,這兩種計量方法在歐洲使用能夠作到高精度,例如德國申克(Schenck)的皮帶配料秤,動態配料精度達到2%。而在中國卻不行,原因在於受到我國機械製造及材料等基礎工業的制約。目前我國用於公路行業的皮帶秤計量精度一般只能達到5%左右,與容積計量相差無幾,長期穩定性較差。

差分減量秤

連續稱重的革命——差分減量(失重)秤

失重秤(英文Loss-in-weight)是九十年代開始套用於工業過程稱重連續計量的。失重秤逐漸替代皮帶秤、螺鏇秤,甚至累加秤,作為一種全新的計量方法,逐漸套用到越來越多物料處理。

1.基本原理:

將秤量斗及給料機構作為整個秤體,通過儀表或上位機不停對秤體進行重量信號的採樣,計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量,再通過各種軟硬體的濾波技術處理,得出可以作為控制對象的“實際流量”。

這個流量的獲取非常重要,是失重秤能否準確計量的基礎。圖中介紹的是一種經典的方法:然後FC通過PID反饋算法,進行逼近目標流量的控制運算,輸出調節信號去控制變頻器等給料機控制器。

2.差分減量秤(失重秤)在實際中的套用:

從原理上可以看出它不受秤體與給料機構的機械變化影響,它只是計算重量差值(差重),與傳統動態計量手段相比,其優點是不言而喻的。

對於控制對象為流量(t/h ,kg/min ),而且物料可輸送性好,計量精度要求高時,採用失重法計量可以作為一種最佳方案。

3.失重秤設計必須注意的事項,影響精度的因素:

失重秤兼有靜態秤、動態秤特點,因此,在設計系統時,要求:

正確的輸送率範圍,一般實際工作範圍為額定輸送量的60%~70%最佳。若採用交流調速,對應變頻率為35-40Hz最佳。這樣保證調節範圍寬。還由於在輸送率過低時,系統穩定性差。感測器量程選用適當,按公式

也就是說,感測器也用到其量程的60%~70%,信號變化範圍寬,對提高精度極為有利。

機械結構設計要確保物料流動性好,同時保證補料時間短,補料不應過於頻繁,一般要求5-10分鐘補一次料。

配套傳動系統要保證運行平穩,線性好。

4.套用前景:

隨著電子控制技術的飛速發展,失重秤通過採用新的技術,在計量精度上由0.3%~0.5%。而提高到0.1%~0.2%,甚至到超過靜態秤,這一新技術的核心即數字式稱重感測器的套用。

數字式

稱量感測器的套用

為了適應動態測量的需要,在稱重系統中作為系統輸入端的感測器至關重要。特別在需要智慧型化的場合,感測器的直接或間接數安化已必不可少,此時測量不確定度和測量速度往往是一對矛盾,兩者很難兼得,而需根據實際情況作折衷選擇。在稱重領域,我國大量生產和套用的都是傳統的模擬式感測器,模擬信號的輸小。以生產量最大、採用電阻應變原理的稱重感測器為例,一般最大輸出為30-40mV。故其信號易受射頻干擾,電纜傳輸距離也短,通常在10m以內。在使用多個感測器並聯的容器稱重系統(料斗秤式配料秤)、平台稱重系統或秤橋(汽車衡或軌道衡)中,利用數字系統可實現“自校準”。這是因為多通道的數字感測器系統,不存在阻抗匹配問題。用戶輸入各感測器的地址、秤量和靈敏度,即可自動進行秤的“四角”或“邊角”平衡,不必一次次地反覆調整信。而在模擬系統中多個感測器關聯接線後,每個感測器的特性就不再是可辨別的了,校準時需在每一個感測器上施加砝碼並利用接線盒中的分壓器進行調整。由於調整時存在著互動作用,因而反覆多次。在數字系統中,則允許分別覆核作為單體的每一個感測器。因此,校準裝有數字感測器系統的所有花費的時間,僅為模擬系統的1/4。

利用數字系統可以實現“自診斷”,即診斷程式連續地檢查各感測器信號是否中斷、輸出是否明顯超出範圍等。若有問題,在儀表或控制器面板上會自動顯示或報警,用戶利用面板上的鍵即可尋找各個感測器,獨立地確定問題原因並進行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力,對用戶顯然是一種重要優點,而在模擬感測器系統中則是很難忘以低成本實現的。

在稱重領域中,典型模擬感測器系統的模數變換器的分辨力為16比特,即有50000個可用計數;而數字系統中每一個感測器的解析度為20比特,即有1000 000個可用計數。所以,一個裝有4個數字感測器的系統即可提供4000 000個計數的解析度。這種高解析度的優點,特別適用於秤架自重大而被稱物重量小的場合。例如:在配料稱重系統中,有時配方中某種物料僅占很小比例,但準確度要求卻仍然很高。這在傳統的模擬系統中同樣是很難實現的。

1.國內外套用的現狀(在水泥廠、冶金、塑膠、化纖等行業取得)

許多行業有豐富套用失重秤的經驗。如:水泥廠配料。在工程塑膠、化纖、光纖等等眾多行業已廣泛普及。有些行業由於採用了連續失重計量,可以保證落料按比例混合,而弱化攪拌需要,簡化了工藝。國外已開發國家這一產品很成熟,如德國申克公司,布達本拉(brabender),瑞士開創(ktron)公司,技術處於國際最領先地位。其中開創公司由於採取了數字感測器技術動態精度可達0.25%。以工業過程稱重而言,已經達到靜態秤精度。在連續式攪拌機械上的套用及前景影響:由於國內連續式攪拌設備計量停留在傳統的方法上,因此,推廣失重秤套用前景將十分廣闊,對穩定土廠拌、水泥連續攪拌、瀝青連續攪拌工藝起到革命性的改變,對流量的精準控制將會製造出非常合格理想的混合料。由於連續式拌和工藝結構簡單,維護費用低,因此一旦在產品級配上把好關,將徹底改變連續式拌和的市場占有低的現狀。特別是公路、水電行業所需的高產設備,具有重大意義。

賽摩失重秤過靜態秤稱量完整的給料系統(料倉、給料機和散狀物料)及通過變速電機或電振機控制散關物料的卸料流量。物料(通過螺鏇、振動管或槽)從系統卸下,將按每個單位時間(dv/dt)測量的"失重"與所需給料量(預設值)進行比較,實際(測量)的流量與期望的(預設)流量之間的差異會通過給料控制器(MT2104)發生糾正信號,該控制器能自動調節給料速度,從而在沒有過程滯後的情況下保持精確的給料量。當料倉中測量的重量達到料倉低料位(重新加料)時,控制器將給料系統按容積給料進行控制,然後料倉快速重新裝料(手動或自動),失重控制器重新動作。在批稱量失重系統中,設計與連續失重系統相似,然而,給料(批量) 循環最終重量的精度要比實際的給料量控制更高。6104控制器通過向變速驅動器提供高給料信號以完成快速給料,然後轉換到低給料控制信號用於在批量結束時精確控制。

宇宙開發

失重失重

人造地球衛星、宇宙飛船、太空梭進入軌道後,其中的人和物將處於失重狀態.人造地球衛星、宇宙飛船、太空梭等太空飛行器進入軌道後,可以認為是繞地球做圓周運動,做圓周運動的物體,速度的方向是時刻改變的,因而具有加速度,它的大小等於衛星所在高度處重力加速度的大小

.這跟在以重力加速度下降的升降機中發生的情況類似,太空飛行器中的人和物都處於完全失重狀態。

你能夠想像出完全失重的條件下會發生什麼現象嗎?你構想地球上一旦重力消失,會發生什麼現象,在宇宙飛船中就會發生什麼現象.物體將飄在空中,液滴呈絕對球形,氣泡在液體中將不上浮.太空人站著睡覺和躺著睡覺一樣舒服,走路務必小心,稍有不慎,將會“上不著天,下不著地”.食物要做成塊狀或牙膏似的糊狀,以免食物的碎渣“漂浮”在空中進入太空人的眼睛、鼻孔…….你還可以繼續發揮你的想像力,舉出更多的現象來.

你還可以再想一想,人類能夠利用失重的條件做些什麼嗎?下面舉幾個事例,將會幫助你思考.這裡所舉的事例,雖然還沒有完全實現,但科學家們正在努力探索,也許不久的將來就會實現.

在失重條件下,融化了的金屬的液滴,形狀呈絕對球形,冷卻後可以成為理想的滾珠.而在地面上,用現代技術製成的滾珠,並不絕對呈球形,這是造成軸承磨損的重要原因之一。

玻璃纖維(一種很細的玻璃絲,直徑為幾十微米)是現代光纖通信的主要部件.在地面上,不可能製造很長的玻璃纖維,因為沒等到液態的玻璃絲凝固,由於它受到重力,將被拉成小段.而在太空的軌道上,將可以製造出幾百米長的玻璃纖維.

在太空的軌道上,可以製成一種新的泡沫材料棗泡沫金屬.在失重條件下,在液態的金屬中通以氣體,氣泡將不“上浮”,也不“下沉”,均勻地分布在液態金屬中,凝固後就成為泡沫金屬,這樣可以製成輕得像軟木塞似的泡沫鋼,用它做機翼,又輕又結實.

同樣的道理,在失重條件下,混合物可以均勻地混合,由此可以製成地面上不能得到的特種合金.

電子工業、化學工業、核工業等部門,對高純度材料的需要不斷增加,其純度要求為“6個9”至“8個9”,即99.9999%~99.999999%.在地面上,冶鍊金屬需在容器內進行,總會有一些容器的微量元素摻入到被冶煉的金屬中.而在太空中的“懸浮冶煉”,是在失重條件下進行的,不需要用容器,消除了容器對材料的污染,可獲得純度極高的產品.

在電子技術中所用的晶體,在地面上生產時,由於受重力影響,晶體的大小受到限制,而且要受到容器的污染,在失重條件下,晶體的生產是均勻的,生產出來的晶體也要大得多.在不久的將來,如能在太空建立起工廠,生產出砷化鎵的純晶體,它要比現有的矽晶體優越得多,將會引起電子技術的重大突破.

漂浮

沒有翅膀的魚和螞蟻竟然可以優哉游哉地飄浮在空中,這可不是魔術表演的現場,也不是在模擬太空失重環境,而是發生在西北工業大學實驗室的真實一幕。主持這項實驗的解文軍是西北工業大學的材料物理學家,當然科學家們並非故意在和這些小動物開玩笑,而是在進行一項聲懸浮研究。普通物體和動物由於自身的重力作用,如果不藉助外力不可能克服地心引力,自由飄浮在空中。當然也有例外,太空人在太空中也體驗過失重的感覺,可以懸浮在空中。這是因為太空人搭乘的太空飛行器,運動軌跡處在兩個天體的引力平衡點上,比如地球和月球的引力互相抵消,這時太空飛行器就處在失重環境中,重力為零,自然就能飄起來了。這些飄浮在空中的魚和螞蟻難道也是因為科學家通過特殊手段為它們營造出了一個失重環境嗎? “魚和螞蟻的飄浮不是一種失重現象。”失重的猜測馬上遭到了解文軍的否定,看來答案並非如此簡單。 如果魚和螞蟻依然沒有逃脫自身重力的作用,從力的平衡角度考慮,必定有一個來自外部的力量幫助它們克服了重力,最終實現飄浮。這個我們看不到的力量到底來自哪裡呢解文軍告訴我們,實際上他們只是巧妙利用了聲波。在實驗中,上面的聲發射端發出聲波,聲波抵達下端的聲反射端後被反射回來,反射回來的聲波與繼續向反射端傳播的聲波重疊,如此就形成了駐波,駐波不會像聲波一樣向前運動,只是在原地上下振動,振幅最大處叫波腹,振幅最小處即看上去靜止不動處叫波節。只要把魚和螞蟻等小動物放到波節處,它們也就靜止不動了。進行實驗時,只要先調節好反射端到發射端之間的距離,波節位置就是固定的,這時只要用鑷子將螞蟻、瓢蟲和小魚等小動物放在這個位置就可以了。飄浮在空中的時候,這些動物都顯得比較緊張,螞蟻手舞足蹈地企圖四處遊走,瓢蟲也使勁拍打著翅膀,似乎想飛走。但是它們的身體並沒有受到傷害,不過小魚的活力顯然受到了一些影響,因為離開了有水的環境,所以當小魚飄浮在空中的時候,解文軍還在一旁不停地給小魚進行“淋浴”。 事實上,早在2002年,解文軍和同事就曾經利用聲波懸浮起了固體銥和液體汞。從2003年起,他們開始關注有生命物體的聲懸浮。那么,如果聲波達到一定強度,是否有可能將人也懸浮起來呢?解文軍說,實驗證明,聲懸浮原則上可以懸浮起一定體積的任何固體和液體,他們實驗中懸浮的動物有地上爬的、水中游的以及天上飛的,但是小動物的尺寸都不超過1厘米。這是因為,聲懸浮的原理決定了懸浮物體的尺寸必須小於半波長。對超音波段,可以懸浮的物體尺寸不超過1厘米。還沒有看到能夠懸浮像人這么大尺寸的物體的聲懸浮器將活著的動物懸浮起來的實驗國外也有科學家進行過嘗試。1997年,荷蘭奈梅亨大學的物理學家安德烈。傑姆和英國布里斯托大學的麥可·貝利爵士,曾經使用磁石使青蛙飄浮起來。他們利用一塊超導磁石將一隻活著的青蛙飄浮在半空中。青蛙本身是一個非磁體,但是通過電磁石的磁場而變得有磁性。除此之外,超導體也會因為它們對磁場的排斥力而自動浮起。這一原理已在日本得到驗證,1996年日本在磁場懸浮實驗中,利用一個金屬盤子將體重為142公斤的相撲運動員懸起。相同的原理也被用於研製磁懸浮列車,儘管使用的磁懸浮列車多用電磁場來實現,但它們的原理是一致的。

求醫網失重專題

失重失重

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