超重失重是哪個力在變化呢?
如圖1,物體(或人體)A靜置在支持物B上面。圖中有三個力,地球對A的吸引力重力?G,A對B向下的正壓力FN1,B對A向上的支持力FN2。後面兩個力都是由重力派生出來的:A受到的重力集中在底面,壓在B上產生FN1,導致B同時對A產生反作用力FN2。其中FN1、?FN2?是壹對互逆的作用力與反作用力,大小相同、方向相反、同生同息。它們分別作用在B和A上,是不能互相抵消的。G 和FN2同時作用在A上,是壹對平衡力,互相抵消,使A達到動力學平衡, A為靜止狀態。?G 和FN1等大同向,分別作用在A和B上。
失重、超重壹般是對A而言。
在地球上,物體(或人體)A超重失重與自身的運動狀態,特別是與A自身上下方向的加速度a密切相關。
1 靜止或勻速直線運動狀態下,a=0,地面上的物體對支持物的正壓力FN1=重力mg。所以人們往往把這兩個方向相同的力混為壹談,其實兩者差別大得很。有時候把正壓力FN1稱為視重,把重力mg稱為實重(參見圖1)。
2 在A處於上下方向變速運動狀態時,a ? 0,正壓力FN1就不等於重力mg了。
(1)當物體的加速度向上(即物體向上加速或向下減速)時a>0,FN1>mg,物體對支持物產生了更大的壓力。使人們覺得物體似乎超過了自身重量,稱之為超重現象;
(2)反之,當物體的加速度向下(即物體向下加速或向上減速)時a<0,FN1<mg,物體只對支持物產生較小的正壓力,使人們覺得物體似乎輕於自身重量,稱之為失重現象;
(3)?FN1=0時,物體對支持物產生完全沒有正壓力,稱之為完全失重。此時感覺物體是?飄浮?在空中的。
有人要問,當物體(或人體)A超重失重時,是哪個力在變化呢?
既然A超重失重與上下方向上的加速度不等於零相關,那麽,壹定和A受到上下方向上的合外力FR不等於零有關。
如上所述,根據受力分析(假設所有矢量向上為正值),A受到的合外力FR=G+FN2。物體(或人體)A受到兩個外力,G 和FN2。既然G?方向與大小都不會變,那壹定是FN2發生了變化。說白了就是:物體(或人體)A的超重失重現象是由支持物B對A向上的支持力FN2的大小、方向決定的。
表1列出了質量為1公斤的物體A 超重、失重的簡單實例計算值列表(矢量向上為正值,力的單位:牛,加速度單位:米/秒^2)
物體和人體A超重、失重所受變化的外力FN2有兩個來源:A或 B,即人體A(肌肉)主動發力或人體被動受到B的施力。前者實例是人體在體育運動中的加速下蹲或蹬伸;後者實例是人乘電梯或飛行器的加速上下運動。
1 FN2來源於B
當人或物體乘電梯或飛行器時,使其產生加速度的力顯然來自B的提供,即來自B的動力。比如人乘電梯上下的受力,肯定是來自拉動轎廂鋼絲繩的電動機動力,通過轎廂地板對人體產生作用力(即B對A的作用力FN2)。FN2對A的作用力分為兩部分,壹部分抵消重力G(大小、方向固定不變),另壹部分給A以加速度(大小、方向可變),這部分實際上就是A所受到的合外力FR。
2 FN2來源於A
當人們進行各項陸上體育運動時,地面B往往可以看成是靜止不動的,它不可能主動提供FN2驅動人體。此時驅動人體整體運動的外力FN2只能是來源於A。由A發力給自己提供加速度,聽起來有點不可思議。這明顯違反牛頓力學定律?真實情況是:人體A肌肉發力和重力壹起,作用於靜止的外部環境大地(B)形成FN1(蹬地力),由此引起地面的反作用力FN2(支反力)。正是借助於支反力這個外力FN2,才使得推動人體整體運動,獲得加速度成為可能。不依靠外力,肌肉力量再大也不可能直接給自己加速度。比如,力量再大的大力士也不能提著自己的頭發使自己離開地面。
所以我們可以說:各項陸上體育運動中人體獲得加速度的直接來源是支反力FN2,根本來源是人體肌肉的發力。
人體對地面產生的蹬地力FN1之中,既包括不變的重力G,也包括可變的肌肉發力。而體育運動中肌肉發力的大小、方向是人體根據運動需要可自控、可調節的。
3 FN2來源於A和B。
這種力學情景更復雜壹點,比如運行中電梯的乘客再發力下蹲或蹬伸跳起。
綜上所述,前面的問題我們就不難回答了:超重失重是哪個力在變化?
答曰:重力並沒有變化,是物體(或人體)A下面的支持物B對A的支持力(或支反力)FN2發生了變化。它提供了A獲得加速度的合外力,從而影響了A的超重和失重狀態。