过山车是公园里人人喜欢玩的游乐项目,那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。那为什么过山车在运行过程中,即使倒挂在轨道上也不会掉下来呢?因为过山车的运动包含了许多物理原理,人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理,其中最重要的就是引力。
坐在过山车最后一节车厢里的游客在参加这一项目时将获得“最为刺激的一份礼物”——事实上,体验过山车下降的感受在其尾部最为强烈,因为当过山车从轨道上俯冲下来时,车尾通过最高点的速度比车头要快,这是由于引力作用是作用于过山车中部的,这样,坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点,从而产生一种好像被抛出车外的感觉——神奇吧?
目前宇航科学家们正打算把过山车的这种特性利用到宇航员平时身体训练当中去。
并不舒适的太空生活
大家都知道,我们之所以能够在路上随心所欲行走、跑步、跳跃,是因为地球上有地心引力。而太空中却没有地心引力。所以宇航员在太空中长期都处于失重的环境下。但是,成天飘在空中“生活”,会导致肌肉出现萎缩,骨骼也会变得更加脆弱,这种现象即使在宇航员返回地面后,依然需要很长时间才能使身体恢复到正常状态。不管是在空间站,还是在登月、登火星这样的长期太空旅行,如果不采取必要手段,那么宇航员身体某些部位的肌肉萎缩率将可能高达25%;而且如果航天飞船在返回地面时出现紧急情况,宇航员们将面临更大的危险:此外,心脏也会在长期的太空旅行后变得虚弱,宇航员返回地面后有时还会因为站起来的速度过快而发生晕厥。为了保证健康,目前宇航员在太空中每天都要做两个小时的运动。
太空中的健身器
现在,科学家们正在开发一种新的方法,能让宇航员在太空做运动时,感到好像就在地球上一样,这是因为这套新开发的人力系统会产生一个类似地球重力的环境。美国科学家们正在计划设计一个名字叫做“太空转轮”的装置。他们希望这种运动装置能在加强宇航员肌肉锻炼的同时,也能保证宇航员心血管系统的健康。
“太空转轮”就像一个大的离心机,中间是一个转轴,一端是一个自行车状的装置,另一端则是一个平台。通过蹬自行车,“离心机”开始旋转,自行车和平台都向外晃荡起来。根据旋转速度,人力离心机可以产生0.5千克至2.5千克的人工重力。这时,一个宇航员在太空转轮的一头做蹬自行车运动,在另一头平台上的宇航员又可以做下蹲运动了。
人工重力新用途
目前条件下,宇航员只能用皮带将自己绑在健身自行车的座椅上做运动,但这很不舒服,如果有了人工重力,宇航员就可以像在地球上一样自然舒适地骑在自行车上:在失重的情况下,做举重锻炼没有任何意义,为此宇航员使用一种有弹性的“健身练力带”来进行锻炼,但在以后“健身练力带”也不需要了,因为在新的设备上做下蹲运动,需要抵抗的重力甚至比在地球上还大。而且,在这种环境下锻炼可以在更少的时间内取得更好的效果。
现在科学家正在研究,在这种离心机上做下蹲运动会不会达到在体育馆举重的效果——看来他们还打算在将来,把这种设备运用到训练参加奥运会的运动员身上;今后几年他们还将把因腿部肌肉萎缩,而使用拐杖的人作为研究对象,从而考察下蹲运动是否能恢复肌肉机能——这个目的也是想使这种设备真正造福全人类。
不过,这种旋转对于空间站或者航天器可能会产生一个反向的扭转。这样对航天器可不会产生什么好的后果,科学家们目前正在研究如何在装置上消除这种影响。而且从另外一个角度考虑,太空中所有资源都是很宝贵的,如果设法让宇航员的体能不被白白消耗掉,利用宇航员在健身时产生的能量进行人力发电那岂不更好!