如图1,物体(或人体)A静置在支持物B上面。图中有三个力,地球对A的吸引力重力?G,A对B向下的正压力FN1,B对A向上的支持力FN2。后面两个力都是由重力派生出来的:A受到的重力集中在底面,压在B上产生FN1,导致B同时对A产生反作用力FN2。其中FN1、?FN2?是一对互逆的作用力与反作用力,大小相同、方向相反、同生同息。它们分别作用在B和A上,是不能互相抵消的。G 和FN2同时作用在A上,是一对平衡力,互相抵消,使A达到动力学平衡, A为静止状态。?G 和FN1等大同向,分别作用在A和B上。
失重、超重一般是对A而言。
在地球上,物体(或人体)A超重失重与自身的运动状态,特别是与A自身上下方向的加速度a密切相关。
1 静止或匀速直线运动状态下,a=0,地面上的物体对支持物的正压力FN1=重力mg。所以人们往往把这两个方向相同的力混为一谈,其实两者差别大得很。有时候把正压力FN1称为视重,把重力mg称为实重(参见图1)。
2 在A处于上下方向变速运动状态时,a ? 0,正压力FN1就不等于重力mg了。
(1)当物体的加速度向上(即物体向上加速或向下减速)时a>0,FN1>mg,物体对支持物产生了更大的压力。使人们觉得物体似乎超过了自身重量,称之为超重现象;
(2)反之,当物体的加速度向下(即物体向下加速或向上减速)时a<0,FN1<mg,物体只对支持物产生较小的正压力,使人们觉得物体似乎轻于自身重量,称之为失重现象;
(3)?FN1=0时,物体对支持物产生完全没有正压力,称之为完全失重。此时感觉物体是?飘浮?在空中的。
有人要问,当物体(或人体)A超重失重时,是哪个力在变化呢?
既然A超重失重与上下方向上的加速度不等于零相关,那么,一定和A受到上下方向上的合外力FR不等于零有关。
如上所述,根据受力分析(假设所有矢量向上为正值),A受到的合外力FR=G+FN2。物体(或人体)A受到两个外力,G 和FN2。既然G?方向与大小都不会变,那一定是FN2发生了变化。说白了就是:物体(或人体)A的超重失重现象是由支持物B对A向上的支持力FN2的大小、方向决定的。
表1列出了质量为1公斤的物体A 超重、失重的简单实例计算值列表(矢量向上为正值,力的单位:牛,加速度单位:米/秒^2)
物体和人体A超重、失重所受变化的外力FN2有两个来源:A或 B,即人体A(肌肉)主动发力或人体被动受到B的施力。前者实例是人体在体育运动中的加速下蹲或蹬伸;后者实例是人乘电梯或飞行器的加速上下运动。
1 FN2来源于B
当人或物体乘电梯或飞行器时,使其产生加速度的力显然来自B的提供,即来自B的动力。比如人乘电梯上下的受力,肯定是来自拉动轿厢钢丝绳的电动机动力,通过轿厢地板对人体产生作用力(即B对A的作用力FN2)。FN2对A的作用力分为两部分,一部分抵消重力G(大小、方向固定不变),另一部分给A以加速度(大小、方向可变),这部分实际上就是A所受到的合外力FR。
2 FN2来源于A
当人们进行各项陆上体育运动时,地面B往往可以看成是静止不动的,它不可能主动提供FN2驱动人体。此时驱动人体整体运动的外力FN2只能是来源于A。由A发力给自己提供加速度,听起来有点不可思议。这明显违反牛顿力学定律?真实情况是:人体A肌肉发力和重力一起,作用于静止的外部环境大地(B)形成FN1(蹬地力),由此引起地面的反作用力FN2(支反力)。正是借助于支反力这个外力FN2,才使得推动人体整体运动,获得加速度成为可能。不依靠外力,肌肉力量再大也不可能直接给自己加速度。比如,力量再大的大力士也不能提着自己的头发使自己离开地面。
所以我们可以说:各项陆上体育运动中人体获得加速度的直接来源是支反力FN2,根本来源是人体肌肉的发力。
人体对地面产生的蹬地力FN1之中,既包括不变的重力G,也包括可变的肌肉发力。而体育运动中肌肉发力的大小、方向是人体根据运动需要可自控、可调节的。
3 FN2来源于A和B。
这种力学情景更复杂一点,比如运行中电梯的乘客再发力下蹲或蹬伸跳起。
综上所述,前面的问题我们就不难回答了:超重失重是哪个力在变化?
答曰:重力并没有变化,是物体(或人体)A下面的支持物B对A的支持力(或支反力)FN2发生了变化。它提供了A获得加速度的合外力,从而影响了A的超重和失重状态。