超重

超重是物體所受限制力，也可稱之為彈力（拉力或支持力）大於物體所受重力的現象。當物體做向上加速運動或向下減速運動時，物體均處於超重狀態，即不管物體如何運動，只要具有向上的加速度，物體就處於超重狀態。超重現象在發射太空飛行器時更是常見，所有太空飛行器及其中的太空人在剛開始加速上升的階段都處於超重狀態。

基本介紹

• 中文名：超重
• 外文名：overload，overweight，superheavy
• 含義：物體所受限制力大於自身重力
• 實驗：在人造衛星或深海潛水中
• 影響：身體產生不適，呼吸困難等
• 防護措施：進行強度訓練

超重公式

由牛頓第二定律得：N－mg=ma

所以N=m（g+a）>mg

由牛頓第三定律知，物體對支持物的壓力>mg

得出結論：向上加速向下減速：加速度方向向上，產生超重現象

故只要加速度方向向上就是超重，與速度方向無關。

實驗

從人造衛星和宇宙飛船發射成功以來，人們經常談到超重和失重現象。當人造地球衛星、宇宙飛船、太空梭等太空飛行器在加速上升階段，其中的人和物體處於超重狀態，他們對其下方物體的壓力是其自身重力的幾倍；而當太空飛行器進入軌道後，其中的人和物體又處於完全失重狀態，此時他們對其下方物將沒有一點壓力。物體在宇宙飛船中完全可以處於漂浮狀態，而這在地球上是很難想像的事情！

其實，只要物體相對於地球有豎直向上的加速度時，就會產生超重現象；反之則會產生失重現象。應當指出，無論物體處於超重還是失重狀態，地球作用於物體的重力始終存在，大小也沒有發生變化，只是物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)發生了變化，看起來好像物體的重量有所增大或減小。那么如何用實驗的手段來研究超重和失重現象呢?現在用生活用品“溝卡板式”褲帶為主要材料製作了一個超重、失重實驗裝置，實驗效果很好！

1．實驗材料：木板(1.5×10×100cm)1塊、彈簧(勁度係數為100N/m)1根、木擰圈2個、粗鐵絲1根、溝卡板式褲帶2條、木螺絲4個、指針1個、槽型鐵片2個(如圖1所示)、500g勾碼1個、小木楔卡1個、膠(哥倆好)、鉚釘等。

2．製作方法(1)在木板的一面畫上相等的刻度線！

超重實驗

(2)在木板的一端用木擰圈將彈簧及其指針固定好！

(3)固定褲帶卡取兩條褲帶卡，用A、B膠(哥倆好)將帶孔的槽型鐵片分別固定在兩個褲帶卡的上表面(如圖2所示)！

(4)將帶有槽型鐵片的褲帶卡用木螺絲固定在木板上(如圖3所示)，其中上方褲帶卡的卡片方向向上，下方褲帶卡的卡片方向向下！

超重實驗

(5)分別將兩條溝卡板式褲帶的溝卡板部分用剪刀剪掉，讓溝卡方向相反,然後用鉚牢固地連線到一起(如圖4、圖3、圖4所示)！

(6)將倒順溝卡板的兩端分別從木板上的兩個褲帶卡內穿過，並使帶倒順溝卡的褲帶板上的卡棱與褲帶卡的卡片方向相吻合。

(7)將帶倒順溝卡的褲帶板的上方與木板上的彈簧固定在一起，下方與木擰圈內的粗鐵鉤固定在一起，這樣一個超重、失重演示實驗裝置就製作成功了。

超重實驗①將上方褲帶卡上的卡控扭用小木楔卡住(如圖6所示)(使卡片不起作用)。

②在粗鐵鉤上懸掛一個質量為500g的勾碼，此時彈簧下拉，指針指向某一刻度。

③用手握住木板用力加速上提，此時彈簧突然伸長，帶倒順溝卡的褲帶板下移，停止後被下方的褲帶卡內的卡片卡住，可觀察到指針又下滑到某一刻度，由此說明，當系統加速上升時，物體對彈簧的拉力大於了自身的重力，即產生了超重現象。

訓練

超重訓練對航天員來說是一項自我極限的挑戰，這是為了培養航天員抗負荷能力的一種航天生理訓練。目的是讓航天員適應太空飛行器發射和返回再入時的超重環境，增強航天員抗超重的能力，訓練航天員的超重耐力以及在超重環境條件下操縱飛船和通信的能力。

超重-離心機

超重適應性訓練的訓練方法主要採用離心機模擬太空飛行器起飛和返回過程中的超重曲線，進行胸-背向對抗動作訓練和頭–盆向耐力維持訓練。在離心機高速旋轉中，航天員面部肌肉開始變形下垂；做頭盆方向超重訓練時，血流向下肢，使頭腦缺血眩暈；做胸背向超重時，前胸後背像壓了塊幾百斤重的巨石，造成心跳加快、呼吸困難……每一項訓練，都要消耗巨大體力。 目前用於“神七”航天員訓練的中國航天員中心的離心機是亞洲規模最大的載人離心機。它有著長達8米的旋轉手臂，前端連著一隻橢圓形不鏽鋼封閉吊艙，轉動時像極了遊樂場中的“飛碟”，但其轉動的速度和搖擺角度則是“飛碟”無論如何都無法比擬的。當離心機按照一定的速度旋轉起來時，可以模擬出載人太空飛行器上升和返回時的持續超重狀態。

1個G是地面標準重力環境。人的身體結構和各系統的調節功能對此已經相當適應。遊樂場的過山車是勇敢者的遊戲，可是幾圈下來，再勇敢的人也會覺得暈乎乎的，甚至有人面色蒼白，頭暈嘔吐，過山車人體承受的過載大約是自身重量的兩倍(2個G)。正常人在離心機上達到3個G的負荷時就難以忍受，而航天員平時訓練則要求過載達到人體自重的8至9倍，要比玩過山車的感覺強4倍，持續時間為40至50秒，普通人是無法想像的。在進行這種訓練時，航天員的面部肌肉都會在強大作用力的牽引下變形，眼淚不自覺地往外流，呼吸異常困難。

航天員在時速100千米的高速旋轉中，不僅要練習堅持腹肌和腹呼吸等抗負荷動作，而且還要隨時回答問題，判讀信號，保持敏捷的判斷反應能力。

影響

太空飛行器在發射和返回的過程中，由於加速度的關係，出現了超重現象。通常採用G值的方法來表示。如果一個50公斤的人在1G的環境下他的體重是50公斤，在2G的環境中就成為100公斤，3G的環境是150公斤。過高的G值對人體是有害的，甚至致命。早期的火箭超重值是7～8G，新式火箭已降低到不超過5G。來由於推進技術的發展，太空梭發射時的峰值可控制在3G水平。正常返回的最大再入過載為+4Gx~+5Gx。太空梭再入返回時，乘員遇到的是+Gz方向的超重作用，過載不大於3G。在發射段這種超重作用對人體影響不大，航天員都能忍受。但是，經過一段失重飛行，航天員心肺系統調節能力下降，航天中的超重對人體還是有些影響的。

超重訓練

1．早期的火箭發射時所產生7G~8G的超重，新式的火箭已降低到不超過5G。由於推進技術的發展，太空梭發射時可控制在3G水平、無論發射段還是返回段，在載人航天飛行中航天員基本都受到+Gx超重作用、重力的作用方向、數值大小、持續時間、變化速率及重複作用時間以及航天員的身體狀況是決定能否耐受的主要因素。在縱向超重(+GZ)作用下，由於靜水壓效應，引起全身血液分布改變，血液在下肢等人體低下部位瀦留，使回心血量減少．造成頭部供血障礙、輕則引起視覺改變、重則導致意識喪失。

在橫向超重(+Gx)作用下，當視覺障礙和腦功能障礙還未發生時，航天員就會感到呼吸困難、胸部疼痛。有的還可發生心臟節律失調及氧飽和度降低等。有關研究證明，正常人一般可耐受10~12G，訓練後，加上適當防護措施還可能耐受更高的G值。在-Gx作用時，3~4G即可出現嚴重的頭疼、球結膜充血、鼻衄、紅視等危險症狀，—般以此為安全上限。-4.5Gz以上持續數秒鐘，可以引起精神紊亂甚至意識喪失。

側向超重(±Gy)一般在飛船有偏航、滾轉、俯仰等複合飛行時出現，實際飛行中G值作用時間也不長。據研究報導，在±1G、2G時可影響跟蹤動作，在±5Gy時可引起內臟嚴重的撕裂損傷。

2．Stapp曾利用火箭滑車，試驗觀察了黑熊和猩猩在受到83Gx減速過載，結果發現肺、心臟、肝和脾等臟器發生嚴重損傷，脊柱骨折、器官破裂引起大出血、出現致命性損傷。

3．正常再入時過載較小約4G~5G，持續時間約在幾十秒至數分鐘之間，因此屬於持續性超重對人體的影響。

4．根據火箭滑車試驗，認為人體用安全帶良好地固定條件下，可耐受背-胸向減速過載35G，增長率100G/s，作用時間0.15~0.35s，被試者可能出現血壓下降，面色蒼白，出冷汗等休克症狀，無組織損傷。

5．人-艙系統著陸衝擊時，衝擊力通過座椅傳遞給人，沒有人體自緩衝作用。另外當人-艙系統著陸衝擊時，衝擊作用時間大於30ms，人體受到的著陸衝擊過載要比座椅輸入的衝擊過載大，由於人體產生了動態超調，所以人坐在艙內著陸與跳傘著陸不同。

6．人體坐姿著陸衝擊時，衝擊過載是通過座艙傳給座椅最後傳到人，類似臀部著地。主要反應是疼痛，嚴重時出現內臟損傷與骨骼傷等。

7．家犬高G值（30Gz~100Gx，10~100ms）坐姿墜落衝擊實驗中，發現造成腦、肺、肝和心臟等臟器充血、出血、水腫以及肝、肺和脾等臟器撕裂傷，胸腹腔積血等。Kazarian報導，猴承受25G~900G2-22ms坐姿衝擊時，觀察到肝、肺和心臟等損傷。脊柱前後韌帶撕裂傷，脊柱骨折等。

8．家犬取仰臥位（+Gx）墜落衝擊實驗發現，在10Gx~60Gx30~100ms衝擊作用下，造成以肺和心臟損傷為主，少數伴有肝、脾、腎等臟器出血。隨G值增加損傷加重，嚴重時出現臟器破裂性損傷的肋骨骨折。

9．人-艙系統著陸衝擊致傷的原因，主要由於衝擊力直接作用超過了組織強度，由於衝擊瞬間臟器位移、變形、牽拉和相互碰撞。

10．人-艙系統著陸衝擊實驗表明，垂直位著陸損傷較重，仰臥位較輕，前傾位易引起心臟損傷，右傾位易引起肝損傷。關於人-艙系統著陸，人體對著陸衝擊的耐力，目前沒有明確的規定。

11．根據衝擊時被試者疼痛反應並結合大量生理指標的變化，初步提出人體受到峰值23G、30ms，峰值19G、50ms，峰值16G、80ms，峰值14G、100ms，可做為生理耐受水平；當峰值大於23G、50ms有可能引起脊柱損傷。

12．載人飛船的著陸速度，一般在陸地降落不大於6m/s，水上降落不大於10m/s。

防護措施

概述

為了保證航天員在太空飛行器上升和返回段的安全，對抗橫向超重（+Gx）對人體的作用，航天超重的防護，最有效的方法是從工程努力降低飛船的發射段與返回段的過載，並盡力避免失控應急商過載的發生。在醫學防護上，一般是儘量減少超重對人體的影響和提高機體對超重的耐受能力。具體來說，是通過航天員超耐力的選拔、訓練以及各種防護措施的綜合套用來實現的。航天醫學認為，凡能提高人體持續性加速度耐力的措施和技術，都可以增加機體對飛行器返回段遇到的加速度作用及延長在空間飛行的持續時間。

超重

理想的座椅和合體椅墊

如上所述，由於人體生理結構的特點，在不同方向超重作用時，從對+Gx超重作用的耐力最高，因而在載人飛船的發射和返回段，讓航天員取仰臥姿態是更為有利的。早在30~50年代，人們對不同仰臥位背角(即在飛行中的有效生理背角)對機體耐力的影響，已進行了很多探索性的研究。研究結果表明與坐姿體位相比，後傾45°時，超重耐力稍有提高，77°時提高2.5G，85°時提高3.5G。後來，人們又圍繞著高超重防護的需要進行了很多研究，隨著背角的增加，人的超重耐力逐步提高。加大後傾背角能夠提高人的超重耐力的原因在於後傾時人的眼-心垂直距離隨背角的加大而縮短，從而減小了靜水壓效應。但是，背角過大時，人容易出現呼吸困難和胸疼，以及頻發的早搏等現象。所以選擇有效的生理背角對提高超重耐力及載人飛船的設計具有十分重要的意義。科學家通過研究觀察提出了最佳合理的躺椅體位，即背角75°，腿部的位置與軀幹約成100°，雙膝略高於頭部水平，小腿平放。

使用抗荷服

抗荷服是一種物理性防護措施：它可以防止超重作用期間由於慣性力和靜水壓力梯度引起血液流向下肢，增加靜脈回流，增加心輸出量，改善頭部液供應。提高人對超重的耐力。抗荷服在長時間的+Gz分量的加速度作用中特別有效。抗荷服常分囊式和管式兩種：囊式抗荷服有5個氣囊，其中只有1個腹囊、2個大腿囊和2個小腿囊。在1.5~2.0Gz時開始向囊內充氣，此類抗荷服可提高2G左右的耐力。管式抗荷服基本結構是使用拉伸係數小的材料製成的緊身褲，褲子的兩側，有二個可充氣的側管，此管充氣膨脹時，導壓帶將衣服面拉緊對肢體加壓，此類抗荷服較為複雜。俄美開始使用一種無囊式抗荷服，防止航天員在再入段G值增加時出現暈厥。

正加壓呼吸

正加壓呼吸可與呼吸純氧同時套用。它的防護效應的原理是由於物理對抗壓施加到肺血管上，減少了血液在肺循環中的淤積，提高了系統循環迴路中的主動脈弓壓。與其他防護性的呼吸技術相比，由於這種方法減少了外呼吸的做功，因而降低了能量悄耗，增加了腦血管中的血壓，從而減少了視覺紊亂。一些研究表明，在加速度期間套用此方法也能減少對心臟節律失調的誘發。最佳的肺加壓方式是2~3mmHg/G，它可使超重耐受時間延長67%，防護效應為1.1±0.2G(+Gz)。

生理性防護方法

一些生理性的防護方法可以明顯地提高人的超重耐力。有經驗的航天員在執行飛行任務或飛船再入返回時曾使用過下面的兩種方法：第一種是持續地緊張腹肌和腿肌，第二種是緊張呼吸技術。這些方法的套用可提高1~3G的超重耐力。其防護效應來自對腿部深層血管、腹腔和肺循環的加壓，減少了血液在身體較低部位的淤積。

體育鍛鍊

地面體育訓練可有效地增強人體的體質。如短距離速跑和速泳可增強心血管的應急調節能力，類舉重等訓練可以增強腿肌、腹肌的緊張性，這些特殊體育訓練都可以提高航天員的超重耐力。此時體訓的目的是改善低動力條件下的呼吸和循環調節功能，增加腹肌等的靜態持久力和發展抗重力技術，訓練的目的是提高人的超重耐力及對航天超重環境的適應能力。—般可從兩個方面著手，其一，提高身體素質，其二，熟練地套用防護設施和方法以提高防護效果。以使每個航天員處於最佳狀態。

離心機訓練

離心機訓練是提高超重耐力最有效的方法之一，已廣泛地套用於世界各國的航天的訓練中。離心機訓練可提高+G耐力約1.6~5.8G。

綜合的抗荷措施

載人航天飛行中，經常採用綜合的防護和預防措施。目前，飛行中採用生理防護技術和抗荷服已成常規。在長期太空飛行中，航天員是在已適應失重環境後，遇到再入段的加速度作用，更需要採用綜合性的防護裝置及技術。據報導，賦型墊的椅背傾斜與加壓呼吸綜合套用，能將超重耐力提高到+26.5Gx(1G/s)。所以，中長期飛行中人們更加注意防護措施的綜合套用。這些綜合性的對抗措施使航天員在失重環境中，以及再入段暴露到超重期間都能維持較高水平的工效。

超重耐力的選拔

人體對超重作用的耐受能力存有很大的個體差異，有的人在+6Cx左右即出現明顯的心率減慢，而有的人在+12Gx時尚無不良反應。為使航天員能耐受發射段和返回段的超重作用，從載人航天初期起，人們就一直十分重視航天員超重耐力的選拔。超重耐力的選拔通常在載人離心機上進行。航天員超重耐力檢查一般包括+Gz耐力檢查和+Gx耐力檢查。在檢查中，對受試者的耐受G值、主觀感覺和包括視覺、呼吸、心血管系統、前庭、血氧飽和度等各項生理反應進行評價。通常將超重耐力分為“良、中、差”三類，“良”者為上選，“中”者為合格，“差”者為超重耐力不合格。訓練的目的是提高人的超重耐力及對航天超重環境的適應能力。—‘般可從兩個方面著手，其一，提高身體素質；其二，熟練地套用防護設施和方法以提高防護效果。

體質訓練

發射和返回段的超重負荷是突發性的，且高強度的，要求機體的心臟有較強的代償儲備，心血管系統具有快速反應和應激調節能力。這種能力與交感緊張活動性直接有關。為此，應讓航天員在堅持日常體育訓練的前提下，適當增加短距離速躥、短距離速泳以及舉重和類舉重等特殊體質訓練。短距離速跑和短距離速泳有助於增強心血管系統的快速代償反應能力。舉重和類舉重可以增強機體的交感緊張度，並能減少骨骼肌內的毛細血管，對提高超重耐力有明顯作用。

低氧適應性訓練

在航天員訓練中，適當穿插對低氧的適應性訓練是一種有效的、非特異性的提高加速度耐力的方法。據報導，暴露加速度前經過低氧適應的小鼠、大鼠和荷蘭豬比未經低氧適應訓練的對照組存括率提高了15%~20%。低氧加運動的適應性訓練則更有效。當人暴露到高山後，其+Gx耐力比對照組提高2.4±0.2G。低氧適應的防護效能在於提高了心虹血系統的再適應能力，即增加了神經細胞對由循環紊亂引起的組織缺氧及血氧飽和度降低的耐受性。

高原訓練

中度高原空氣密度只有海拔平面的77%．氧含量只有平原地區的3/4左右，氧分壓大於平原地區的20—25%、當運動員在這樣的環境下進行訓練時、由於"調節適應期"產生應激，呼吸頻率和心率加快、溶解在血管里的部分氧氣受低氣壓的影響不易被身體吸收、使血管體積增大、血管擴張，血管壁增厚，血管變粗，通過的血量增多，從而更好地鍛鍊了運動員的心血管系統，提高了最大攝氧量和血色素濃度，增強了耐受乳酸的能力．產生了高原馴化(服習)。在返回平原時，失去了獲得性適應性條件．運動員會產生新條件的應激．即晚馴化--脫服習。在大賽前進行高原訓練．對運動成績的提高效果員為顯著。每次訓練三周左右。由於高原訓練地點難找，經費開支大．

PC機器訓練

是常說的微觀馴化，原理與高原訓練類推。

體重超重

超重和肥胖界定為異常或過量脂肪積累，可損害健康。體重指數（BMI）是體重/身高的簡便指數，通常用於在成年人群和個人中進行超重和肥胖分類。其定義為按公斤計算的體重除以按米計算的身高的平方（kg/m2）。 體重指數是最有用的人口水平超重和肥胖衡量標準，因為它對男女和各年齡的成人都一樣。但是，應將其視為粗略的指導，因為可能不能表明不同個體中同樣程度的肥胖。

體重超重

世界衛生組織把“超重”界定為體重指數等於或大於25，“肥胖”界定為體重指數等於或大於30。這些取捨點提供了個體評估的基準，但有證據表明人群的慢性病風險從體重指數21開始漸趨上升。

2006年4月發布的新的世衛組織兒童生長標準包含嬰兒和5歲以下幼兒的體重指數表。但是，衡量5至14歲兒童的超重和肥胖情況頗具挑戰性，因為沒有世界範圍內運用的兒童期肥胖標準定義。世衛組織目前正在制定學齡兒童和青少年的國際生長參照基準。

肥胖和超重的根本原因是攝入的卡路里與消耗的卡路里之間的能量不平衡。全球超重和肥胖上升可歸咎於若干因素，包括：全球飲食改變，攝入更多的高脂、高糖、但缺少維生素、礦物質及其它微量營養素的高能量食品；以及許多工作形式越來越需要常坐的性質、不斷變化的交通方式和日益發展的城市化造成身體活動減少的趨勢。

超重和肥胖的常見健康後果是什麼？超重和肥胖可導致嚴重的健康後果。隨著體重指數的上升，風險逐步加大。體重指數上升是諸如以下慢性病的一個重要高危因素：心血管病（主要為心臟病和中風）?這已經是世界上的頭號死亡原因，每年造成1700萬人死亡。糖尿病?已迅速成為一種全球流行病。據世衛組織預測，糖尿病死亡人數在今後10年內將在世界範圍內上升50%以上。