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電梯會以奇怪的方式打亂你的重力感。當電梯猛地往上竄時,你會從腳底感覺到那股勁。剎那間,地板比平時更用力地壓著你。當電梯減速時,這種壓力會減輕,讓你暫時地感覺更輕。
如果你在上行的電梯里站在體重秤上,數字會往上一跳。當電梯減速停住時,數字會下降。下行時,情況就反過來了。
那到底是咋回事?你是上電梯的時候更重,還是下電梯的時候更重?
簡單來說,你最重的時候有兩個:一是電梯剛啟動往上沖的時候(向上加速),二是電梯下行快要剎停的時候(向下減速)。但這得看“重量”到底指什么,以及你的身體能感覺到什么。
“物理學中的‘重量’一詞有好幾種意思,”西雅圖華盛頓大學的物理學教授米格爾·莫拉萊斯對《生活科學》說。莫拉萊斯解釋說,在物理學中,重量至少可以指代三個相關概念:你的質量(你身體有多少物質)、作用于你的引力、或者你腳下的秤朝上頂你的那股力。
"當你只是站著不動的時候,這些都可以是一回事,"莫拉萊斯說道。"可電梯一加速或減速,你就會得到三個完全不同的答案。這就是物理嘛。"
不管電梯怎么動,你的質量都不會變。在地球表面,大樓底部和頂部的重力也差不多一樣。真正變的是第三個概念:秤往上推的勁兒。秤實際測的就是這個向上的推力。
看看重力
這個區別說明了一件反直覺的事:"你根本感覺不到重力。從來都感覺不到,"愛達荷大學物理系教授杰森·巴恩斯對《生活科學》說。
巴恩斯提到了國際空間站上的宇航員。"其實那邊地球的重力跟這兒幾乎一樣,"他說。"但他們感覺不到。"
倒不是因為重力在軌道上消失了。在空間站的高度(大約距離地球250英里,即400公里),地球的引力仍然約為地球表面的90%。不同之處在于,宇航員和空間站正在持續向地球自由下落。
空間站以超過17,000英里/小時(27,300公里/小時)的速度橫向移動。它在下落時,地球的地面也在它下方彎下去了。它不會撞上地面,而是始終碰不到。結果就是它一直在繞著地球下落。
因為宇航員和空間站以相同的速度一起下落,地板壓根兒不用向上頂著他們。而這種向上的推力正是我們實際感受到的重量(也稱為法向力)。
在地球上,地面一直向上頂著你不讓你往下掉。在軌道上,就沒有這種向上的力了。宇航員仍然受到重力的影響,但沒有什么能阻止他們下落。因為沒有地板向上撐他們,所以他們感覺失重了。
電梯會短暫改變地板對你的反推力。當電梯開始上升時,它也必須讓你向上加速。"開始上升時,你會感覺更重,"Barnes說。"電梯比平時更用力地向上推,以讓你向上加速。"
在典型的建筑電梯中,額外加速度大約為1米/秒2。大約是地球重力的十分之一。對于體重150磅(68公斤)的人來說,這會短暫地將秤的讀數增加約10%。秤可能顯示大約165磅(75公斤),而不是150磅。
Morales從秤的角度描述了同樣的效果。"重力完全沒有改變,"他說。"但現在,為了讓你加速,必須有一股比重力更強的力來推你。所以你在秤上的重量會增加。"
一旦電梯達到恒定速度,加速停止。重力和向上的推力再次平衡,秤的讀數恢復正常,即使你仍在移動。
到了頂層,當電梯減速停下時,正好反過來。盡管你仍在向上移動,但電梯必須稍微往下加速才能讓你慢下來。
重力并未改變。但由于電梯現在正在向下加速,地板不用像剛才那樣使勁往上頂來控制你的身體。向上的推力(法向力)減小,秤上的數字就會往下掉。
"你會感覺自己有點輕飄飄的,"莫拉萊斯說。
下樓的時候也是一樣的道理。當電梯向下加速時,你會感覺更輕,因為地板向上的推力比平時小。但當電梯接近底部并減速停下時,加速度又變成往上了,你又感覺變重了。
這種日常體驗原來與現代物理學中最重要的概念之一有關。
"這是愛因斯坦在發展廣義相對論時首次注意到的一個效應,"巴恩斯說。這一洞察被稱為等效原理,幫助愛因斯坦認識到重力并非一種力,而是加速度以及時空本身曲率的結果。
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