失重（英文名稱：Weightlessness）是指物體失去或者部分失去了重力場的作用的現象。1687年，艾薩克·牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，這本書總結了力學的研究成果，標志著經典力學的初步建立。從牛頓第二運動定律可以看出，當物體在“加速上升”或“減速下降”時，所受到的合力大于物體靜止重量，這種現象稱為超重；反之，稱為失重。
常見的失重有微重力和完全失重。能產生微重力環境的最常用的方法有四種，分別是落塔、飛機、火箭和航天器。完全失重是指物體的向下加速度等于g時，物體對支持物的壓力或者對懸掛物的拉力等于0的情況。
利用失重，可以制作合金、加工材料、開發新材料、高效率制得高純度的藥物。人類及動物在失重情況會產生空間運動病、骨質丟失、骨骼肌萎縮和心血管功能降低等。
定義
失重（Weightlessness）是指物體失去或者部分失去了重力場的作用的現象，表現為物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力小于物體所受重力。失重有時泛指完全失重或微重力狀態，失重狀態也可以理解為物體所受加速度豎直向下的狀態。
生活中，豎直方向沒有加速度的物體所受的向下的重力和向上的支持力大小相等，因此相消。例如坐在椅子上的人所受的向下的重力和向上的支持力大小相等，方向相反；而當這個向上的支持力消失的時候，比如突然把椅子抽走，人就會有失重的感覺。對一個只受重力和支持力的物體進行受力分析，規定向下為正方向，由牛頓第二運動定律得，由失重的定義可知，失重是指物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力小于物體所受重力的現象，因此可得物體失重時有，因此，由此可知，失重可以理解為物體所受豎直向下的狀態。
重力就是物體的重量，地球上任何物體都有重量即都受到重力的作用。重力是由于地球對物體的吸引而引起的，地球對物體的吸引力叫作重力。
引力是任意兩個物體或兩個粒子間的與其質量乘積相關的吸引力，是自然界中最普遍的力。
加速度是速度矢量發生變化，可以是運動快慢的變化，也可以是運動方向的變化。一般情況下，速度的方向和大小都可以變化。速度矢量變化的快慢就是加速度。
相關歷史
1687年，艾薩克·牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，這本書總結了力學的研究成果，標志著經典力學的初步建立。在此書中，牛頓提出了萬有引力定律，兩個物體間的吸引力F與二者的質量m1和m2的乘積成正比，而與它們之間的距離R^2成反比。數學表述為：
其中，G為萬有引力常數。
、分別為萬有引力的兩個物體。
指的是、兩個物體之間的距離。在衛星繞行運動時，指的是兩星球球心之間的距離。如果物體里地球很遠，即趨向于無窮時，萬有引力接近于0，就是失重現象。
牛頓第二運動定律指出：物體受到外力作用時，它所獲得的加速度a的大小與合外力F的大小成正比，與物體的質量m成反比；加速度a的方向與合外力F的方向相同。牛頓第二定律的數學形式為：F=ma。
從牛頓第二定律可以看出，當物體在“加速上升”或“減速下降”時，所受到的合力大于物體靜止重量，這種現象稱為超重；反之，稱為失重。
超重
牛頓第三運動定律：兩個物體間的相互作用力大小相等，方向相反，且作用在同一直線上。若物體A以F1作用在物體B上，物體B必同時以F2作用在物體A上，F1和F2在同一直線上，且F1=-F2。
當人站立隨同運載工具獲得向上的加速度a時，人從地面上獲得作用力就由mg增加為mg+ma（這個力的一部分mg與重力抵消，另一部分ma產生向上的加速度），按照牛頓第三定律，人對地面的壓力也就由mg增加為mg+ma，好像人的重量增加了，這個現象稱為超重。
當火箭、宇宙飛船或航天飛機在上升階段和返回大氣層的過程中，由于加速度很大，使其結構、設備和人員所受到的慣性力和重力的合力常常大于重力，使人和設備好像變重了。在航天學中常稱為“過載”，也稱為“超重”。通常用重力加速度g的倍數來表示過載的大小。
飛船在太空作自由飛行的過程中，宇航員還會長時期處于失重的條件下。所謂失重，是指在飛行的航天器或航天飛機這一參考系中，慣性力與地球引力相抵消，使物體受的合力幾乎等于零，或者說物體的視在重量為零。失重是宇航員所遇到的完全不同于地面的新環境。與之相伴而來的是一些奇特而有趣的生理效應、物理現象和化學變化。
常見的失重
微重力
微重力的定義是指在重力的作用下，系統的表觀重量遠小于其實際重量的環境。具體而言也可指重力或者其他外力引起的加速度不超過的狀態。例如太空就是微重力狀態而不是完全失重狀態。能產生微重力環境的最常用的方法有四種，分別是落塔、飛機、火箭和航天器。
落塔
落塔方法是使物體在下落通道中做自由落體運動，以此實現太空微重力環境模擬。實驗裝置主要由內、外兩部分構成，內部主要為外層隔離艙和內層實驗艙，外部主要為塔（井）體、釋放機構、下落艙的操作裝置、減速回收裝置、真空發生裝置和提升裝置等。美國、日本、中國等國家都建立了微重力落塔，用于短時間微重力實驗。落塔、落并法微重力模擬精度可達10-4~10-5g量級，微重力持續時間一般為5s左右。
美國NASA研究中心建立了世界上第一個落塔，之后，德國、日本、西班牙、中國等相繼成功研制了更為先進、微重力時間更長的落塔。日本建造了目前最長的落塔，長達490米，可以產生10秒左右的低重力；而當飛機作拋物線飛行的時候，也能產生低重力環境；高空探測火箭也可以產生低重力環境，當火箭發射以后，達到一定高度以后火箭與載荷艙分離，載荷艙進行慣性飛行，其飛行期間也會產生微重力環境。
軌道飛行器
在環繞地球飛行的飛船上，失重的原因是向心加速度為g，當速度達到第一宇宙速度，能夠環繞地球飛行時，發生這種失重。如果把地球比作環繞飛行的飛船，我們也是處于相對太陽的“失重”狀態，因為地球萬物沒有受到太陽“重力”的影響。
長期駐留軌道飛行器：包括空間站、通信/導航衛星等，通常按照設計壽命長期或永久性駐留。其在軌微重力水平主要由軌道高度和軌跡形狀確定，通常對應于300~600km軌道高度和橢圓形飛行軌跡。微重力水平一般為10-4~10-6g。
短期飛行軌道飛行器：包括航天飛機、載人/貨運飛船、返回式衛星等，通常在軌時間為數天到數十天不等。其在軌微重力水平也主要由軌道高度和軌跡形狀等因素確定，為10-3~10-6和橢圓形飛行軌跡。
短時飛行器
短時飛行器：包括深空氣球、探空火箭、拋物線飛機等，通常飛行時間分別為數小時到數十小時（氣球落艙的自由落體時間僅為30~40s）、數分到數十分、數十秒（單次）到數十分（累計）不等。其微重力水平也隨軌道高度和軌跡形狀等而變化，為10-2~10-4g。通常對應于10~100km軌道高度（火箭最大高度可大于1000km）和橢圓形或拋物線形軌道。
拋物線飛機（有的稱失重飛機）飛行是一種利用飛機做拋物線飛行來模擬微重力環境的方法。典型的飛機拋物線飛行，經過平飛加速階段后，飛機躍起爬升至最高點，然后按拋物線下降，其間可獲得20s左右的微重力時間和20s左右的1.8~2g的超重力時間。
美國、俄羅斯、法國、日本、加拿大等國都擁有不同類型的失重飛機，世界上常用的大型失重飛機有美國的KC-135空中加油機、法國的A300、俄羅斯的IL-76、加拿大的A300、日本的MU-300等。大部分微重力兩相流與傳熱方面的實驗研究成果是利用這些拋物線飛機作為微重力環境模擬平臺取得的。20世紀70年代，中國也研制改裝了一架失重飛機。
完全失重
完全失重是指物體的向下加速度等于時，物體對支持物的壓力或者對懸掛物的拉力等于0的情況。當忽視空氣阻力時，從高處落下的裝滿水的水瓶就處于完全失重狀態。
應用
合金制造
完全失重或微重力環境可以擺脫地面中立下無論如何也不可避免的不良影響，例如，在日常生產中，將2-3種元素結合起來構成的合金的性能會比單元素的金屬好得多，但是當將比重相差很大的元素融合制造合金時，會因重力引發沉浮現象，從而形成較為明顯的分層。而在微重力環境下，這種沉浮現象會消失，因而可以制得地面無法制造的各種混合均勻性能優良的合金。例如地面難以制得的鋁鋅合金就在1983年第一次在宇航飛機“哥倫比亞號航天飛機”上被制得。這種合金輕且堅硬多孔、結構堅固，是制造飛機、火箭等的良好材料。
材料加工
重力能使液體、氣體中出現沉積、對流、浮力等現象，從而導致材料的晶體結構中出現形變和缺陷。而微重力環境擁有無重力對流、無沉積、無浮力、自約束成形等特點，因此可以實現對各種材料的特殊加工。
生產泡沫材料
利用微重力中無重力對流的特點，當向融化的鋼水中充入氣體時，液體內的氣泡不易分離，這樣就能產生如同普通鋼一樣堅硬、又能像泡沫或者塑料一樣浮在水面上的泡沫鋼。除泡沫鋼外，微重力充氣法還能生產泡沫鋁和泡沫陶瓷等泡沫材料。
開發新材料
由于微重力環境有無沉積、無浮力、自約束成形等特點，當在微重力環境下對密度、熔點、沸點等性質差異較大的物質進行加工時，可以有效減少晶體的缺陷，從而得到性質優良的合金或者化合物，例如砷化鎵在微重力環境下可以制得高質量的單晶。
無容器冶煉
由于微重力環境擁有自約束成形的特點，在微重力環境下對液體或者熔融金屬進行加工時，無需將被加工物放入容器中。這些液體或者熔融金屬能夠長時間穩定地飄浮在空中，且加工過程中不會有雜質進入，從而獲得高純度、高性能的材料。
制造理想球狀產品
微重力狀態下的液體能夠長時間漂浮在空中，且由于其表面張力和內聚力，這些液體會自發形成標準的球狀，因此，微重力環境下，人們可以制造出十分標準的球狀滾珠，這種滾珠橢圓度極小，用其制作的軸承的耐用性比普通滾珠強數倍。
生物醫學應用
微重力環境下，可以十分精準地分離出相對密度不同的多種混合物，因此，在微重力環境下可以高效率得到高純度的藥物、疫苗、病毒等。例如尿激酶、骨膠原、溶菌酶等都是太空制造的產物。
危害
人體
因為人類生活在地球的重力環境下，人類的整個進化過程也都處于重力環境中，人體內的各個生理系統都產生了適應重力環境的生理變化。航天活動中，航天員從長期適應的重力環境突然進入到失重環境，人體的生理和心理系統均會產生一系列適應失重環境的改變，這種適應性的變化所表現出的癥狀稱為“空間適應性綜合癥”。任何進入太空的航天員都會或多或少地出現這種綜合癥，有的人重些，有的人輕些。
視定向錯覺
在失重情況下，人身體上所有與重量有關的感受器官都會發生異常。例如人體內耳有一種感覺線性加速度的器官，稱為耳石，是身體的重力感受器，在失重下不能感覺頭部的運動。這種異常的感覺會造成一種視定向錯覺，這時航天員會感到自己身體和載人航天器都上下倒置。
肌肉損耗
在失重的情況下，人體骨骼、肌肉等都感受不到壓力。這會使得肌肉和骨骼在平常的生活中得不到鍛煉，因此會造成肌肉損耗、骨質疏松癥等疾病。因此，宇航員為了防止肌肉損耗，每天都需要在跑步機上鍛煉。
浮腫
在沒有重力的情況下，體液大量積聚在身體的上半部。一方面，這會導致臉部浮腫，另一方面，也會導致特別纖細的“鸛腿”。它還可能導致循環系統的問題。
心腦血管
心血管系統在維持人體的正常生命活動中發揮著非常重要作用。在航天活動中，尤其是航天員進入微重力環境時，由于流體靜壓消失和運動減少，心血管系統受到的生理挑戰很大。
航天飛行使心臟處于低動力狀態，出現每搏量降低、心肌虛損和自主神經調節紊亂。在航天飛行中，大部分航天員表現出竇性心律，但是在飛行早期和出艙活動中航天員較易出現心律失常，如早搏、室性期前收縮、結性二聯律等。心血管系統對于微重力環境具有一定的適應性，短暫的心臟節律改變不會影響航天員的健康，被認為是一種功能性的變化。在航天飛行中，盡管航天員處于微重力環境中，其血壓沒有出現明顯變化，但是體內不同部位的血管內壓卻發生明顯變化，表現為上身血管內血壓增高、下身血管內壓下降。經過航天飛行后，航天員的心血管調節功能出現失調，即超重耐力下降、立位耐力下降、運動耐力下降，表現為暈厥、運動能力降低、不能耐受訓練等。這些變化經過有效的干預能使其到飛行前狀態。
其他
在失重的情況下，動物的運動會變得遲緩，動作協調性差。由于動物體內主管本體感覺的內耳前庭系統缺乏重力的定向刺激，動物表現出部分與前庭系統失靈有關的運動病。如魚類表現出轉圈反應、螺旋運動、異常的向上或向下俯沖等；一些樹棲的無尾類動物和壁虎表現出跳傘動作；四足非樹棲動物表現出尾巴旋轉和身體異常移動，試圖抓住其他物體以固定自己的身體；有些蛇類會利用它們的尾巴和身體進行打結；鴿子和鵪鶉表現出異常的飛行滾動，但如果遮住它們的眼睛，則表現出有規律的轉圈運動。
參考資料 >
微重力環境.中國航天科技集團有限公司.2023-10-22
科普 | 微重力環境對動物行為的影響.搜狐網.2023-11-10
阿波羅號航天員出現的“空間適應性綜合癥”(圖).國家航天局.2023-11-10
Schwerelosigkeit.Planetwissen.2023-10-24
Willkommen in der seltsamen Welt der Schwerelosigkeit!.DLR.2023-10-24
太空失重環境對人體的影響及恢復方法.中國數字科技館.2023-11-10