挑戰(zhàn)重力加速度

徐寧

“安樂(lè)死”過(guò)山車(chē)模型。

“安樂(lè)死過(guò)山車(chē)”是一種假想的死亡游樂(lè)設(shè)施。在其設(shè)計(jì)者——立陶宛工程師烏伯納斯的設(shè)計(jì)稿中，過(guò)山車(chē)的起點(diǎn)距離地面510米，軌道總長(zhǎng)超過(guò)75千米。根據(jù)設(shè)計(jì)稿，在經(jīng)過(guò)近乎垂直的快速俯沖后，過(guò)山車(chē)沖上第一個(gè)環(huán)形軌道。巨大的加速度帶來(lái)的過(guò)載讓人肺部收縮，難以呼吸。乘坐者全身血液向下半身流去，大腦逐漸缺氧。很快，過(guò)山車(chē)將來(lái)到第二個(gè)環(huán)形車(chē)力道，乘坐者將在此時(shí)失去視力和聽(tīng)力，意識(shí)開(kāi)始模糊。接下來(lái)還有五個(gè)半徑依次遞減的環(huán)形軌道等著乘坐者。當(dāng)過(guò)山車(chē)在第七個(gè)環(huán)形軌道末端停下時(shí)，乘坐者在經(jīng)歷了60秒10g（g指重力加速度，10g即10倍重力加速度）加速度過(guò)載后因腦缺氧死亡。當(dāng)然，這座過(guò)山車(chē)只存在于烏伯納斯的設(shè)計(jì)圖紙中，現(xiàn)實(shí)中并不存在。

10g的加速度有多危險(xiǎn)？地球引力給自由落體運(yùn)動(dòng)中的物體造成的加速度是1g（約合9.8米/秒²）。普通人處于3g的加速度下稍久些就可能昏迷。即便是身強(qiáng)體壯的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員，在加速度超過(guò)8g的環(huán)境中超過(guò)15秒，同樣容易失去意識(shí)。雖然經(jīng)受10g加速度的確十分危險(xiǎn)，但卻有人自愿接受遠(yuǎn)超這個(gè)值的加速度。

恐怖的超高g值試驗(yàn)

1954年12月10日，在美國(guó)霍洛曼空軍基地的空地上，工作人員緊張忙碌著，一場(chǎng)震驚世界的人體試驗(yàn)即將開(kāi)始。一名工程師將一個(gè)橡膠咬合塊放進(jìn)被牢牢固定在軌道車(chē)上的約翰博士口中。咬合塊上綁定的加速計(jì)將記錄接下來(lái)約翰會(huì)承受的加速和減速過(guò)載。減速試驗(yàn)開(kāi)始前兩分鐘，所有工作人員離開(kāi)試驗(yàn)場(chǎng)地。終于，刺耳的警笛聲響起，約翰乘坐的“音速風(fēng)1號(hào)”軌道車(chē)尾部的9枚火箭發(fā)出巨大的轟鳴聲，噴出近10米長(zhǎng)的尾焰。在火箭強(qiáng)大的推力下，軌道車(chē)在5秒內(nèi)從靜止加速到1017千米/時(shí)，然后在1.4秒內(nèi)急停。

軌道車(chē)停下后，工作人員立刻飛奔到約翰身邊，并發(fā)現(xiàn)他還活著！約翰勉強(qiáng)擠出微笑，但很明顯是為了寬慰工作人員，因?yàn)樗淼拿?xì)血管幾乎全部破裂，他眼球的鞏膜也因?yàn)槊?xì)血管破裂而從白色變?yōu)榧t色。加速計(jì)顯示：在加速過(guò)程中他承受了最高20g的過(guò)載;減速過(guò)程中，他承受了最高462g的過(guò)載，相當(dāng)于讓他的體重短時(shí)間內(nèi)迅速增加到35噸。這次試驗(yàn)讓他在很長(zhǎng)一段時(shí)間里保持了移動(dòng)速度最快者記錄。

約翰是美國(guó)空軍航空醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一名軍官，1954年的這次恐怖減速試驗(yàn)是為了測(cè)試飛行員在飛機(jī)失事墜落時(shí)能承受的最大過(guò)載。雖然這次實(shí)驗(yàn)給約翰的視力造成了永久性損傷，但他的付出為飛行員緊急彈射裝置的研發(fā)提供了珍貴的人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)開(kāi)始前工作人員為約翰做準(zhǔn)備工作。

在9枚火箭的推動(dòng)下，“音速風(fēng)1號(hào)”在5秒內(nèi)被加速至1017千米/時(shí)。

飛行員和賽車(chē)手都要抗衡高g值過(guò)載

在飛機(jī)問(wèn)世之前，人們很少體驗(yàn)高g值過(guò)載。在第一次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)軍方接連發(fā)現(xiàn)飛行員在進(jìn)行飛行纏斗時(shí)神秘地失去意識(shí)。飛機(jī)轉(zhuǎn)向中帶來(lái)的劇烈過(guò)載，由此逐漸被人所知。

噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)在完成向下疾速俯沖后迅速拉起時(shí)，飛行員會(huì)承受超過(guò)8g的瞬時(shí)過(guò)載。此時(shí)飛行員體內(nèi)的血液會(huì)大量積累在腿部血管中。因?yàn)轱w行員大腦嚴(yán)重缺血，所以大腦得不到充足的氧氣。后來(lái)人們發(fā)明了腿部氣囊。在飛行員腿部氣囊加壓的幫助下，大腿中一部分血液被推向大腦，腦缺血得到輕微緩解。即便如此，哪怕訓(xùn)練有素的飛行員仍然會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)黑視（視覺(jué)消失）或意識(shí)模糊。沒(méi)有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的普通人哪怕經(jīng)歷3g的過(guò)載稍久，大腦也會(huì)因缺氧而“停機(jī)”，至少需要半分鐘才能恢復(fù)意識(shí)，還會(huì)出現(xiàn)肌肉抽搐等癥狀。因此，所有軍隊(duì)飛行員都需要學(xué)習(xí)如何應(yīng)對(duì)高g值地載，包括各種呼吸和肌肉收縮技巧，以避免大腦過(guò)快缺血。高速離心機(jī)訓(xùn)練可以模擬高g值加速度帶來(lái)的腦缺血體驗(yàn)。

賽車(chē)運(yùn)動(dòng)員在激烈的比賽中也會(huì)承受很高的過(guò)載。F1賽車(chē)手的脖子都很粗，其實(shí)他們對(duì)此也沒(méi)有辦法，因?yàn)镕1賽車(chē)的極端速度變化會(huì)帶來(lái)很高的過(guò)載：高速過(guò)彎時(shí)，F(xiàn)1賽車(chē)手脖子承受的瞬時(shí)側(cè)向過(guò)載可達(dá)3～4g。作為對(duì)照，頂級(jí)消費(fèi)級(jí)跑車(chē)急速過(guò)彎的側(cè)向過(guò)載最高不過(guò)1.5g。如果這個(gè)值超過(guò)16g，沒(méi)有專門(mén)針對(duì)賽道進(jìn)行重心降低設(shè)計(jì)的跑車(chē)就有可能側(cè)翻。在2017年某次賽道訓(xùn)練中，F(xiàn)1賽車(chē)手劉易斯·漢密爾頓駕駛的賽車(chē)中的加速計(jì)記錄到了最高6.5g的瞬時(shí)峰值過(guò)載。這個(gè)值出現(xiàn)于某次入彎前的急減速。如此高的瞬時(shí)過(guò)載堪比特級(jí)飛行員所能承受的最大瞬時(shí)過(guò)載。為了保護(hù)頸部不在如此強(qiáng)大的過(guò)載下受損，賽車(chē)手在訓(xùn)練時(shí)都會(huì)刻意鍛煉頸部肌肉。2007年劉易斯剛接觸F1賽事時(shí)的頸圍是355厘米，2019年頸圍增長(zhǎng)到了45厘米。

失重體驗(yàn)

當(dāng)載人火箭搭載宇航員到達(dá)軌道高度時(shí)，宇航員開(kāi)始飄浮，但這并不代表宇航員處在零重力環(huán)境。繞地球軌道飛行的航天器中的宇航員受到的重力約為地球表面重力的95%。只不過(guò)他們處在持續(xù)的自由落體過(guò)程中，因此宇航員并不是處于無(wú)重力環(huán)境，更準(zhǔn)確地說(shuō)是處于失重狀態(tài)。

因?yàn)槲覀兊纳眢w已經(jīng)習(xí)慣了1g的環(huán)境，所以長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)下的宇航員身體會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。由于不用像在地球上那樣用肌肉支撐身體，宇航員的肌肉開(kāi)始萎縮，骨骼鈣質(zhì)也加速流失。相反，長(zhǎng)期處于高g值過(guò)載的飛行員的骨骼會(huì)更加密實(shí)。2001年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)澳大利亞戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在接受為期一年的定期高g值飛行訓(xùn)練后，脊椎骨的骨密度和鈣量上升了11%。

有什么辦法能讓普通人不用離開(kāi)地球，也能體驗(yàn)失重的感覺(jué)呢？某商業(yè)失重體驗(yàn)公司對(duì)一架老式客機(jī)進(jìn)行改造，拆除了絕大部分客艙座椅。在推力全開(kāi)的引擎推動(dòng)下，這架客機(jī)先以50°的爬升角度（相當(dāng)于一般民用客機(jī)爬升角度的3倍）快速上升到約1萬(wàn)米的“彈射點(diǎn)”高度。此時(shí)飛機(jī)調(diào)整姿態(tài)，關(guān)閉引擎，開(kāi)始做自由落體運(yùn)動(dòng)。機(jī)艙內(nèi)任何沒(méi)有被固定住的物體此刻全部飄浮起來(lái)，乘客也像宇航員一樣在艙內(nèi)飄動(dòng)。在體驗(yàn)了23秒的失重狀態(tài)后，高度下降至離地7300米的客機(jī)再次開(kāi)啟引擎，失重狀態(tài)消失。接下來(lái)客機(jī)再次爬升并自由落體式下降，如此重復(fù)16次，最終返回地面。在此期間飛機(jī)廁所被禁止使用，原因自然不必多說(shuō)。

在處于自由落體中的飛機(jī)內(nèi)部，人們可以體驗(yàn)失重的感覺(jué)。