木白
引力是萬(wàn)有的
“萬(wàn)有引力”對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，并不陌生。讓我們首來(lái)先說(shuō)“引力”，它是指兩個(gè)物體之間的相互吸引的一種作用，這種作用是由于它們的質(zhì)量引起的。那為什么說(shuō)“萬(wàn)有”呢？原來(lái)，宇宙間任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都存在這種相互吸引力。例如，大家都知道，地球表面上的所有物體在失去支撐時(shí)都會(huì)下落，就是因?yàn)榈厍驅(qū)λ幸ψ饔玫木壒?。萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)和三位偉大的科學(xué)家有密切的關(guān)系，他們是：力學(xué)家牛頓，天文學(xué)家哥白尼和開(kāi)普勒。
牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律
偉大的力學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，他在1687年出版的不朽著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中指出：
任何兩個(gè)物體之間都存在相互作用的引力，力的方向沿著兩物體的連線，力的大小和兩物體質(zhì)量的乘積成正比，和兩物體間距離的平方成反比。
關(guān)于萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)，廣泛流傳著下面的這個(gè)故事：三百多年前，英國(guó)伍爾索普的一座農(nóng)莊里，在明亮的月光下，年輕的牛頓正坐在果園里閉目沉思。忽然，一個(gè)蘋果從樹(shù)上掉了下來(lái)，落在他的面前。蘋果的落地聲打斷了他的沉思，但這個(gè)人們司空見(jiàn)慣的事實(shí)卻激起牛頓的翩翩聯(lián)想：
蘋果為什么不飛向天空？月亮為什么不落向地面？這里面有什么神奇的力量？
經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考，牛頓終于發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。據(jù)說(shuō)，英國(guó)人還把那棵蘋果樹(shù)的樹(shù)干作為紀(jì)念物保存下來(lái)。當(dāng)然，這只是一個(gè)傳說(shuō)而已，科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)都是建立在前人大量工作的基礎(chǔ)之上的。
在牛頓之前，波蘭科學(xué)家哥白尼提出的“日心說(shuō)”并發(fā)表了《天體運(yùn)行論》，德國(guó)科學(xué)家開(kāi)普勒出版了《新天文學(xué)》和《宇宙的和諧》等著作并提出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律。而牛頓的貢獻(xiàn)則在于，他以非凡的智慧把天上、地上的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在原因都是那個(gè)普遍存在著的萬(wàn)有引力。
重力和重量
蘋果掉落地，水向低處流，石頭滾下山，這些都是地球把萬(wàn)物拉向地面的例子，它們也不難用萬(wàn)有引力定律來(lái)說(shuō)明。因?yàn)榈厍蚝偷厍蛏系母鱾€(gè)物體之間都有吸引力，在這個(gè)地球引力的作用下，物體就會(huì)向著地心方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物體落到地球表面時(shí)受到阻擋，地面的支撐力和地球的吸引力相互抵消，物體就停止了運(yùn)動(dòng)。地球?qū)ξ矬w的引力，一般也叫做重力，它在地面處的大小就是物體的重量（以此類推，物體在其他天體上的重量就是它在天體表面所受到的引力）。這就是說(shuō)，在地球表面處，100克蘋果受到地球的引力是100克重，1公斤石頭受到地球的引力是1公斤重。
重力和我們?nèi)祟惿蠲芮邢嚓P(guān)，由于同一個(gè)物體的重力在日常生活的地面附近空間里可以看作是不變的，所以人們很早就利用重力來(lái)度量物體的質(zhì)量大小。例如，秤和彈簧都是用來(lái)稱重量的工具，在同樣環(huán)境里不同物體的重量是與各自的質(zhì)量成正比的，所以質(zhì)量可以按物體的重量來(lái)求得。
這里要提醒大家的是，在力學(xué)里，質(zhì)量和重量是兩碼事：質(zhì)量是指物體所含的物質(zhì)有多少，而重量是指物體受到的引力是多大。根據(jù)前面說(shuō)到的萬(wàn)有引力定律，物體所受的地球引力是隨著物體和地面的距離而變化的，距離越大，引力越小。所以，同一個(gè)物體在不同的高度上稱重時(shí)所得到的“重量”是不同的。例如，一名在地面上體重為40公斤的同學(xué)，如果被提升到6400公里的高空（你知道嗎？地球的半徑是6400公里），他這時(shí)候在彈簧秤上顯示的“重量”只有10公斤了。當(dāng)你知道了這些知識(shí)之后，能不能自己來(lái)解釋一下：地球上重量是60公斤的人到達(dá)月球表面后，為什么體重就變成了10公斤？想想月球的大小和質(zhì)量，就可以找到答案了。
如果我們繼續(xù)上面的“提升游戲”，把那位同學(xué)提升到930000公里的高度，那么他就超出了地球引力作用的范圍，此時(shí)他就變成一個(gè)只有質(zhì)量而沒(méi)有重量的人了，而且地球再也無(wú)法把他拉回地面。大家知道月亮距離地球是384000公里，在這個(gè)高度上，地球的引力還不到地面值的萬(wàn)分之三，但它仍能拽住月球使之成為地球的天然衛(wèi)星。
失重和超重
在日常生活中，我們遇到的“失重”和“超重”則是另外一類現(xiàn)象。我們普通人對(duì)于失重和超重的直接體驗(yàn)來(lái)自乘坐垂直升降的電梯。
當(dāng)電梯由靜止突然快速下降時(shí)（或者，當(dāng)上升的電梯迅速停止時(shí)），人體各部分就會(huì)變輕；當(dāng)電梯加速上升時(shí)（或者，當(dāng)下降的電梯迅速停止時(shí)），人體各部分就會(huì)變重。如果電梯因纜繩突然折斷而自由下落，此時(shí)人體就會(huì)完全失去重量（或者說(shuō)，他處于“零重力”狀態(tài)下）。
其實(shí)，失重時(shí)，物體依然受到地球的引力（重力），只是這個(gè)重力被用來(lái)使物體做自由運(yùn)動(dòng)（例如，電梯的自由落體），人們用磅秤等工具就不能測(cè)出來(lái)了。
失重和超重的影響
失重和超重現(xiàn)象在航天飛行中有著重要的影響。航天員在軌道飛行時(shí)都處于失重狀態(tài)，他們個(gè)個(gè)身輕如燕，人人飄浮在座艙里。但是，除了輕松愉快的感覺(jué)之外，失重也給航天員帶來(lái)不少麻煩，不僅吃飯飲水、洗臉?biāo)⒀?、穿脫衣服以及睡覺(jué)等生活瑣事變得困難了，而且開(kāi)展操作按鈕、讀取數(shù)據(jù)、觀察攝影、維修儀器、出艙活動(dòng)等工作變得更加復(fù)雜了。此外，航天員在升空和返回過(guò)程中還要遭遇超重的折磨，不僅會(huì)出現(xiàn)舉手抬腳困難、呼吸不暢、心律失調(diào)、視覺(jué)障礙等問(wèn)題，甚至可能使身體遭受永久性傷害。2008年4月19日，俄羅斯“聯(lián)盟TMA”飛船在返回地面時(shí)超重達(dá)到10倍以上，作為其中的乘員，韓國(guó)第一個(gè)女航天員李素妍就受了重傷。
引力和運(yùn)動(dòng)
也許有人要問(wèn)：萬(wàn)有引力是一種相互作用，那么物體對(duì)地球也是有吸引力的，為什么不見(jiàn)地球運(yùn)動(dòng)呢？沒(méi)錯(cuò)兒，蘋果、石頭甚至人等物體也在吸引著地球，換句話說(shuō)，它們都在把地球拉向自己，只是地球太重了（你知道嗎？地球的質(zhì)量是60萬(wàn)億億噸），這一點(diǎn)點(diǎn)作用力所引起的地球運(yùn)動(dòng)是微乎其微的，就像一只螞蟻無(wú)法推動(dòng)巨石那樣。
地球上的物體數(shù)不勝數(shù)，它們分布在地面各個(gè)部位，所以對(duì)地球的引力在不同的方向上，總和起來(lái)的結(jié)果就大體相互抵消了。此外，萬(wàn)有引力在我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境中也往往不能表現(xiàn)出來(lái)，為什么人們沒(méi)有察覺(jué)蘋果、石頭甚至人體之間是相互吸引的呢？這里的原因是普通物體之間的引力太小了。例如，兩個(gè)中等體重的人相距2米時(shí)，他們之間的引力大約為百分之一毫克（你知道嗎？1毫克是1克的千分之一）。我們知道人要移動(dòng)必須克服腳和地面之間的摩擦力，一個(gè)在木制地板上的人需要用20公斤左右的力才能克服摩擦邁開(kāi)步伐，而引力只有邁步用力的二十億分之一，所以人是根本移動(dòng)不了的。然而，假如沒(méi)有摩擦，即使引力很小也可以使物體相互接近，只是這種接近的速度非常之小。例如，上面這兩個(gè)相距2米的成人，在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)彼此相向移動(dòng)3厘米，第二個(gè)小時(shí)內(nèi)再移動(dòng)9厘米，第三個(gè)小時(shí)內(nèi)又會(huì)移近15厘米，第五個(gè)小時(shí)以后兩人就可以貼合在一塊兒了。所以在沒(méi)有摩擦情況下，只要人們有足夠的耐心，普通物體之間的引力是可以察覺(jué)到的。那么，你能想清楚，他們的移動(dòng)為什么會(huì)不斷加快的呢？對(duì)了！這和他們之間距離變小有關(guān)。如果要在日常生活中看到除了物體落地以外的萬(wàn)有引力作用，那么潮汐是一個(gè)絕好的實(shí)例，它是由于月亮和太陽(yáng)對(duì)地面海水的引力而形成的，人們稱這種引力為“引潮力”。由于月亮離地球較近，月球引潮力為太陽(yáng)引潮力的兩倍之多。在引潮力和杭州灣地形的共同作用下，錢塘江大潮才有那樣壯闊的景象。潮汐是由于萬(wàn)有引力作用而形成的解釋也是牛頓提出的。
引力和運(yùn)動(dòng)II
在質(zhì)量不大的物體之間引力是很小的，但是龐大的天體之間引力就十分可觀了。舉個(gè)例子吧：太陽(yáng)對(duì)地球的引力大約為4 000 000 000 000 000 000噸！就是因?yàn)檫@個(gè)引力，地球才能夠“守著”自己的軌道，日復(fù)一日年復(fù)一年地圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了更形象地理解這個(gè)引力的大小，我們不妨想象太陽(yáng)和地球之間有一個(gè)無(wú)形的“引力鏈條”，它把地球牢牢地拴住在運(yùn)行軌道上。如果我們想用一根根有形的鋼索來(lái)代替這個(gè)無(wú)形的鏈條，那工程師們要花多大的力氣呢？假定采用非常堅(jiān)固的鋼材（每平方毫米的細(xì)絲能經(jīng)受100公斤的拉力），假定制造非常粗大的鋼索（它的直徑有5000米），我們要使用200萬(wàn)根才能把地球拉住在目前的軌道上。當(dāng)然，真實(shí)的情況是，太陽(yáng)和地球之間并沒(méi)有什么鏈條，就是太陽(yáng)的引力在起作用。這個(gè)引力總是指向太陽(yáng)的，人們也常常把它叫做“有心力”，太陽(yáng)就是“力心”。圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的地球（以及其他的行星）是在太陽(yáng)的有心力場(chǎng)中作自由運(yùn)動(dòng)，盡管行星的自由運(yùn)動(dòng)和蘋果自由落體運(yùn)動(dòng)在形式上似乎完全不同，它們是沿曲線軌道運(yùn)動(dòng)（有的是圓周，有的是橢圓）繞著力心不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)論行星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道是哪種形狀，它們都處于失重狀態(tài)但都具有向心加速度。太陽(yáng)的引力是不大不小恰到好處：太小了行星就會(huì)飛離軌道進(jìn)入浩瀚的太空，太大了行星也不能維持在軌道上而會(huì)向著力心墜落。牛頓采用萬(wàn)有引力定律證明了開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律，隨后又有人采用萬(wàn)有引力定律預(yù)言了海王星、冥王星的存在并被天文觀察所證實(shí)。牛頓用同樣的理論討論了在地球引力場(chǎng)中的月亮軌道。所以，牛頓的確十分偉大，他使人們了解到蘋果落地和月亮懸空都是萬(wàn)有引力的功勞，從而將人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)帶到了一個(gè)全新的階段。
航天夢(mèng)
實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想
離開(kāi)地球進(jìn)入太空，自古以來(lái)就是人類夢(mèng)寐以求的一個(gè)目標(biāo)。然而，這種美好的航天夢(mèng)只有在科學(xué)技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展的現(xiàn)代才可能實(shí)現(xiàn)。
首先，人們必須知道怎樣才能使人造衛(wèi)星進(jìn)入指定的軌道？科學(xué)家依照牛頓的萬(wàn)有引力定律，計(jì)算出能使物體成為人造地球衛(wèi)星的最小速度是7.9公里/秒（人們稱作為環(huán)繞速度或第一宇宙速度），又計(jì)算出使航天器脫離地球不再返回圍繞但仍然留在太陽(yáng)系里的最小速度是11.2公里/秒（人們稱作為逃逸速度或第二宇宙速度），還計(jì)算出使航天器能夠飛出太陽(yáng)系的最小速度是16.6公里/秒（人們稱作為第三宇宙速度）。這樣，工程師們就可以確定發(fā)射要求了。
其次，人們必須要研制出像火箭這樣強(qiáng)大的運(yùn)輸工具，它們能把衛(wèi)星、飛船等航天器發(fā)射到地球外的宇宙空間里。正是有了這些理論和技術(shù)的基礎(chǔ)，人們才得以一步步地實(shí)現(xiàn)了航天夢(mèng)。1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，1970年4月24日中國(guó)發(fā)射了我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星。到目前為止，人類共向太空發(fā)射了大約5000顆衛(wèi)星，但目前在軌運(yùn)行的還有將近1000顆。
夢(mèng)想的威力
多種人造衛(wèi)星當(dāng)空起舞，發(fā)揮著各種各樣和人們生活息息相關(guān)的作用，比如你能夠看到幾十個(gè)電視頻道以及能夠知曉每天每周的天氣預(yù)報(bào)，這里面就都有衛(wèi)星的功勞。由于使用者的目的不同，人造衛(wèi)星有著不同的用途：有的衛(wèi)星裝有照相設(shè)備，可以對(duì)地面進(jìn)行照相、偵察、調(diào)查資源、監(jiān)測(cè)地球氣候和污染等；有的衛(wèi)星裝有天文觀測(cè)設(shè)備，可以對(duì)宇宙進(jìn)行天文觀測(cè)；有的衛(wèi)星裝有通信轉(zhuǎn)播設(shè)備，可以轉(zhuǎn)播廣播、電視、數(shù)據(jù)、電話等通訊訊號(hào)；有的衛(wèi)星裝有科學(xué)研究設(shè)備，可以進(jìn)行科研及空間微重力條件下的特殊生產(chǎn)（像高純度大晶體，超純度金屬，超導(dǎo)合金和生物藥品等等）。
中國(guó)航天夢(mèng)
令人振奮的是，從2004年開(kāi)始，我國(guó)實(shí)施了“探月工程”，將通過(guò)“繞，落，回”三個(gè)步驟把航天器送上月亮，古代中國(guó)人民的“嫦娥奔月”美麗夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)了。
最后，我們想強(qiáng)調(diào)的是：探索科學(xué)的道路是漫長(zhǎng)而又艱辛的，從牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律到人類實(shí)現(xiàn)航天夢(mèng)經(jīng)過(guò)了將近300年的歷程，萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)又是人類上千年科學(xué)活動(dòng)的結(jié)晶?！版隙?號(hào)”飛行的每一個(gè)階段，科學(xué)家都要依據(jù)萬(wàn)有引力定律來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算，而探月工程的實(shí)施也會(huì)給我們提供更多的有關(guān)月球等天體的知識(shí)。所以，人類的認(rèn)識(shí)將不斷前進(jìn)、永不完結(jié)，這有待于熱愛(ài)科學(xué)的年輕一代去探索、去追求。
