超重

超重，是物体所受限制力（拉力或支持力）大于物体所受重力的现象。当物体做向上加速运动或向下减速运动时，物体均处于超重状态，即不管物体如何运动，只要具有向上的加速度，物体就处于超重状态。超重现象在发射航天器时更是常见，所有航天器及其中的宇航员在刚开始加速上升的阶段都处于超重状态。超重训练对航天员来说是一项自我极限的挑战，这是为了培养航天员抗负荷能力的一种航天生理训练。

1、超重公式

由牛顿第二定律得：N－mg=ma

所以N=m（g+a）>mg

由牛顿第三定律知，物体对支持物的压力>mg

得出结论：向上加速向下减速：加速度方向向上，产生超重现象。

故只要加速度方向向上就是超重，与速度方向无关。

2、实验

从人造卫星和宇宙飞船发射成功以来，人们经常谈到超重和失重现象。当人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器在加速上升阶段，其中的人和物体处于超重状态，他们对其下方物体的压力是其自身重力的几倍；而当航天器进入轨道后，其中的人和物体又处于完全失重状态，此时他们对其下方物将没有一点压力。物体在宇宙飞船中完全可以处于漂浮状态，而这在地球上是很难想象的事情！

其实，只要物体相对于地球有竖直向上的加速度时，就会产生超重现象；反之则会产生失重现象。应当指出，无论物体处于超重还是失重状态，地球作用于物体的重力始终存在，大小也没有发生变化，只是物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)发生了变化，看起来好像物体的重量有所增大或减小。那么如何用实验的手段来研究超重和失重现象呢?现在用生活用品“沟卡板式”裤带为主要材料制作了一个超重、失重实验装置，实验效果很好！

1．实验材料

木板(1.5×10×100cm)1块、弹簧(劲度系数为100N/m)1根、木拧圈2个、粗铁丝1根、沟卡板式裤带2条、木螺丝4个、指针1个、槽型铁片2个(如图1所示)、500g勾码1个、小木楔卡1个、胶(哥俩好)、铆钉等。

2．制作方法

(1)在木板的一面画上相等的刻度线！

(2)在木板的一端用木拧圈将弹簧及其指针固定好！

(3)固定裤带卡取两条裤带卡，用A、B胶(哥俩好)将带孔的槽型铁片分别固定在两个裤带卡的上表面！

(4)将带有槽型铁片的裤带卡用木螺丝固定在木板上，其中上方裤带卡的卡片方向向上，下方裤带卡的卡片方向向下！

(5)分别将两条沟卡板式裤带的沟卡板部分用剪刀剪掉，让沟卡方向相反,然后用铆牢固地连接到一起！

(6)将倒顺沟卡板的两端分别从木板上的两个裤带卡内穿过，并使带倒顺沟卡的裤带板上的卡棱与裤带卡的卡片方向相吻合。

(7)将带倒顺沟卡的裤带板的上方与木板上的弹簧固定在一起，下方与木拧圈内的粗铁钩固定在一起，这样一个超重、失重演示实验装置就制作成功了。

超重实验

①将上方裤带卡上的卡控扭用小木楔卡住(使卡片不起作用)。

②在粗铁钩上悬挂一个质量为500g的勾码，此时弹簧下拉，指针指向某一刻度。

③用手握住木板用力加速上提，此时弹簧突然伸长，带倒顺沟卡的裤带板下移，停止后被下方的裤带卡内的卡片卡住，可观察到指针又下滑到某一刻度，由此说明，当系统加速上升时，物体对弹簧的拉力大于了自身的重力，即产生了超重现象。

3、训练

超重训练对航天员来说是一项自我极限的挑战，这是为了培养航天员抗负荷能力的一种航天生理训练。目的是让航天员适应航天器发射和返回再入时的超重环境，增强航天员抗超重的能力，训练航天员的超重耐力以及在超重环境条件下操纵飞船和通信的能力。

超重适应性训练的训练方法主要采用离心机模拟航天器起飞和返回过程中的超重曲线，进行胸-背向对抗动作训练和头–盆向耐力维持训练。在离心机高速旋转中，航天员面部肌肉开始变形下垂；做头盆方向超重训练时，血流向下肢，使头脑缺血眩晕；做胸背向超重时，前胸后背像压了块几百斤重的巨石，造成心跳加快、呼吸困难……每一项训练，都要消耗巨大体力。目前用于“神七”航天员训练的中国航天员中心的离心机是亚洲规模最大的载人离心机。它有着长达8米的旋转手臂，前端连着一只椭圆形不锈钢封闭吊舱，转动时像极了游乐场中的“飞碟”，但其转动的速度和摇摆角度则是“飞碟”无论如何都无法比拟的。当离心机按照一定的速度旋转起来时，可以模拟出载人航天器上升和返回时的持续超重状态。

1个G是地面标准重力环境。人的身体结构和各系统的调节功能对此已经相当适应。游乐场的过山车是勇敢者的游戏，可是几圈下来，再勇敢的人也会觉得晕乎乎的，甚至有人面色苍白，头晕呕吐，过山车人体承受的过载大约是自身重量的两倍(2个G)。正常人在离心机上达到3个G的负荷时就难以忍受，而航天员平时训练则要求过载达到人体自重的8至9倍，要比玩过山车的感觉强4倍，持续时间为40至50秒，普通人是无法想象的。在进行这种训练时，航天员的面部肌肉都会在强大作用力的牵引下变形，眼泪不自觉地往外流，呼吸异常困难。

航天员在时速100千米的高速旋转中，不仅要练习坚持腹肌和腹呼吸等抗负荷动作，而且还要随时回答问题，判读信号，保持敏捷的判断反应能力。

4、影响

航天器在发射和返回的过程中，由于加速度的关系，出现了超重现象。通常采用G值的方法来表示。如果一个50公斤的人在1G的环境下他的体重是50公斤，在2G的环境中就成为100公斤，3G的环境是150公斤。过高的G值对人体是有害的，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过5G。来由于推进技术的发展，航天飞机发射时的峰值可控制在3G水平。正常返回的最大再入过载为+4Gx~+5Gx。航天飞机再入返回时，乘员遇到的是+Gz方向的超重作用，过载不大于3G。在发射段这种超重作用对人体影响不大，航天员都能忍受。但是，经过一段失重飞行，航天员心肺系统调节能力下降，航天中的超重对人体还是有些影响的。

1．早期的火箭发射时所产生7G~8G的超重，新式的火箭已降低到不超过5G。由于推进技术的发展，航天飞机发射时可控制在3G水平、无论发射段还是返回段，在载人航天飞行中航天员基本都受到+Gx超重作用、重力的作用方向、数值大小、持续时间、变化速率及重复作用时间以及航天员的身体状况是决定能否耐受的主要因素。在纵向超重(+GZ)作用下，由于静水压效应，引起全身血液分布改变，血液在下肢等人体低下部位潴留，使回心血量减少．造成头部供血障碍、轻则引起视觉改变、重则导致意识丧失。

在横向超重(+Gx)作用下，当视觉障碍和脑功能障碍还未发生时，航天员就会感到呼吸困难、胸部疼痛。有的还可发生心脏节律失调及氧饱和度降低等。有关研究证明，正常人一般可耐受10~12G，训练后，加上适当防护措施还可能耐受更高的G值。在-Gx作用时，3~4G即可出现严重的头疼、球结膜充血、鼻衄、红视等危险症状，—般以此为安全上限。-4.5Gz以上持续数秒钟，可以引起精神紊乱甚至意识丧失。

侧向超重(±Gy)一般在飞船有偏航、滚转、俯仰等复合飞行时出现，实际飞行中G值作用时间也不长。据研究报道，在±1G、2G时可影响跟踪动作，在±5Gy时可引起内脏严重的撕裂损伤。

2．Stapp曾利用火箭滑车，试验观察了黑熊和猩猩在受到83Gx减速过载，结果发现肺、心脏、肝和脾等脏器发生严重损伤，脊柱骨折、器官破裂引起大出血、出现致命性损伤。

3．正常再入时过载较小约4G~5G，持续时间约在几十秒至数分钟之间，因此属于持续性超重对人体的影响。

4．根据火箭滑车试验，认为人体用安全带良好地固定条件下，可耐受背-胸向减速过载35G，增长率100G/s，作用时间0.15~0.35s，被试者可能出现血压下降，面色苍白，出冷汗等休克症状，无组织损伤。

5．人-舱系统着陆冲击时，冲击力通过座椅传递给人，没有人体自缓冲作用。另外当人-舱系统着陆冲击时，冲击作用时间大于30ms，人体受到的着陆冲击过载要比座椅输入的冲击过载大，由于人体产生了动态超调，所以人坐在舱内着陆与跳伞着陆不同。

6．人体坐姿着陆冲击时，冲击过载是通过座舱传给座椅最后传到人，类似臀部着地。主要反应是疼痛，严重时出现内脏损伤与骨骼伤等。

7．家犬高G值（30Gz~100Gx，10~100ms）坐姿坠落冲击实验中，发现造成脑、肺、肝和心脏等脏器充血、出血、水肿以及肝、肺和脾等脏器撕裂伤，胸腹腔积血等。Kazarian报导，猴承受25G~900G2-22ms坐姿冲击时，观察到肝、肺和心脏等损伤。脊柱前后韧带撕裂伤，脊柱骨折等。

8．家犬取仰卧位（+Gx）坠落冲击实验发现，在10Gx~60Gx30~100ms冲击作用下，造成以肺和心脏损伤为主，少数伴有肝、脾、肾等脏器出血。随G值增加损伤加重，严重时出现脏器破裂性损伤的肋骨骨折。

9．人-舱系统着陆冲击致伤的原因，主要由于冲击力直接作用超过了组织强度，由于冲击瞬间脏器位移、变形、牵拉和相互碰撞。

10．人-舱系统着陆冲击实验表明，垂直位着陆损伤较重，仰卧位较轻，前倾位易引起心脏损伤，右倾位易引起肝损伤。关于人-舱系统着陆，人体对着陆冲击的耐力，目前没有明确的规定。

11．根据冲击时被试者疼痛反应并结合大量生理指标的变化，初步提出人体受到峰值23G、30ms，峰值19G、50ms，峰值16G、80ms，峰值14G、100ms，可做为生理耐受水平；当峰值大于23G、50ms有可能引起脊柱损伤。

12．载人飞船的着陆速度，一般在陆地降落不大于6m/s，水上降落不大于10m/s。

5、防护措施

概述

为了保证航天员在航天器上升和返回段的安全，对抗横向超重（+Gx）对人体的作用，航天超重的防护，最有效的方法是从工程努力降低飞船的发射段与返回段的过载，并尽力避免失控应急商过载的发生。在医学防护上，一般是尽量减少超重对人体的影响和提高机体对超重的耐受能力。具体来说，是通过航天员超耐力的选拔、训练以及各种防护措施的综合应用来实现的。航天医学认为，凡能提高人体持续性加速度耐力的措施和技术，都可以增加机体对飞行器返回段遇到的加速度作用及延长在空间飞行的持续时间。

理想的座椅和合体椅垫

如上所述，由于人体生理结构的特点，在不同方向超重作用时，从对+Gx超重作用的耐力最高，因而在载人飞船的发射和返回段，让航天员取仰卧姿态是更为有利的。早在30~50年代，人们对不同仰卧位背角(即在飞行中的有效生理背角)对机体耐力的影响，已进行了很多探索性的研究。研究结果表明与坐姿体位相比，后倾45°时，超重耐力稍有提高，77°时提高2.5G，85°时提高3.5G。后来，人们又围绕着高超重防护的需要进行了很多研究，随着背角的增加，人的超重耐力逐步提高。加大后倾背角能够提高人的超重耐力的原因在于后倾时人的眼-心垂直距离随背角的加大而缩短，从而减小了静水压效应。但是，背角过大时，人容易出现呼吸困难和胸疼，以及频发的早搏等现象。所以选择有效的生理背角对提高超重耐力及载人飞船的设计具有十分重要的意义。科学家通过研究观察提出了最佳合理的躺椅体位，即背角75°，腿部的位置与躯干约成100°，双膝略高于头部水平，小腿平放。

使用抗荷服

抗荷服是一种物理性防护措施：它可以防止超重作用期间由于惯性力和静水压力梯度引起血液流向下肢，增加静脉回流，增加心输出量，改善头部液供应。提高人对超重的耐力。抗荷服在长时间的+Gz分量的加速度作用中特别有效。抗荷服常分囊式和管式两种：囊式抗荷服有5个气囊，其中只有1个腹囊、2个大腿囊和2个小腿囊。在1.5~2.0Gz时开始向囊内充气，此类抗荷服可提高2G左右的耐力。管式抗荷服基本结构是使用拉伸系数小的材料制成的紧身裤，裤子的两侧，有二个可充气的侧管，此管充气膨胀时，导压带将衣服面拉紧对肢体加压，此类抗荷服较为复杂。俄美开始使用一种无囊式抗荷服，防止航天员在再入段G值增加时出现晕厥。

正加压呼吸

正加压呼吸可与呼吸纯氧同时应用。它的防护效应的原理是由于物理对抗压施加到肺血管上，减少了血液在肺循环中的淤积，提高了系统循环回路中的主动脉弓压。与其他防护性的呼吸技术相比，由于这种方法减少了外呼吸的做功，因而降低了能量悄耗，增加了脑血管中的血压，从而减少了视觉紊乱。一些研究表明，在加速度期间应用此方法也能减少对心脏节律失调的诱发。最佳的肺加压方式是2~3mmHg/G，它可使超重耐受时间延长67%，防护效应为1.1±0.2G(+Gz)。

生理性防护方法

一些生理性的防护方法可以明显地提高人的超重耐力。有经验的航天员在执行飞行任务或飞船再入返回时曾使用过下面的两种方法：第一种是持续地紧张腹肌和腿肌，第二种是紧张呼吸技术。这些方法的应用可提高1~3G的超重耐力。其防护效应来自对腿部深层血管、腹腔和肺循环的加压，减少了血液在身体较低部位的淤积。

体育锻炼

地面体育训练可有效地增强人体的体质。如短距离速跑和速泳可增强心血管的应急调节能力，类举重等训练可以增强腿肌、腹肌的紧张性，这些特殊体育训练都可以提高航天员的超重耐力。此时体训的目的是改善低动力条件下的呼吸和循环调节功能，增加腹肌等的静态持久力和发展抗重力技术，训练的目的是提高人的超重耐力及对航天超重环境的适应能力。—般可从两个方面着手，其一，提高身体素质，其二，熟练地应用防护设施和方法以提高防护效果。以使每个航天员处于最佳状态。

离心机训练

离心机训练是提高超重耐力最有效的方法之一，已广泛地应用于世界各国的航天的训练中。离心机训练可提高+G耐力约1.6~5.8G。

综合的抗荷措施

载人航天飞行中，经常采用综合的防护和预防措施。目前，飞行中采用生理防护技术和抗荷服已成常规。在长期太空飞行中，航天员是在已适应失重环境后，遇到再入段的加速度作用，更需要采用综合性的防护装置及技术。据报道，赋型垫的椅背倾斜与加压呼吸综合应用，能将超重耐力提高到+26.5Gx(1G/s)。所以，中长期飞行中人们更加注意防护措施的综合应用。这些综合性的对抗措施使航天员在失重环境中，以及再入段暴露到超重期间都能维持较高水平的工效。

超重耐力的选拔

人体对超重作用的耐受能力存有很大的个体差异，有的人在+6Cx左右即出现明显的心率减慢，而有的人在+12Gx时尚无不良反应。为使航天员能耐受发射段和返回段的超重作用，从载人航天初期起，人们就一直十分重视航天员超重耐力的选拔。超重耐力的选拔通常在载人离心机上进行。航天员超重耐力检查一般包括+Gz耐力检查和+Gx耐力检查。在检查中，对受试者的耐受G值、主观感觉和包括视觉、呼吸、心血管系统、前庭、血氧饱和度等各项生理反应进行评价。通常将超重耐力分为“良、中、差”三类，“良”者为上选，“中”者为合格，“差”者为超重耐力不合格。训练的目的是提高人的超重耐力及对航天超重环境的适应能力。—‘般可从两个方面着手，其一，提高身体素质；其二，熟练地应用防护设施和方法以提高防护效果。

体质训练

发射和返回段的超重负荷是突发性的，且高强度的，要求机体的心脏有较强的代偿储备，心血管系统具有快速反应和应激调节能力。这种能力与交感紧张活动性直接有关。为此，应让航天员在坚持日常体育训练的前提下，适当增加短距离速蹿、短距离速泳以及举重和类举重等特殊体质训练。短距离速跑和短距离速泳有助于增强心血管系统的快速代偿反应能力。举重和类举重可以增强机体的交感紧张度，并能减少骨骼肌内的毛细血管，对提高超重耐力有明显作用。

低氧适应性训练

在航天员训练中，适当穿插对低氧的适应性训练是一种有效的、非特异性的提高加速度耐力的方法。据报道，暴露加速度前经过低氧适应的小鼠、大鼠和荷兰猪比未经低氧适应训练的对照组存括率提高了15%~20%。低氧加运动的适应性训练则更有效。当人暴露到高山后，其+Gx耐力比对照组提高2.4±0.2G。低氧适应的防护效能在于提高了心虹血系统的再适应能力，即增加了神经细胞对由循环紊乱引起的组织缺氧及血氧饱和度降低的耐受性。

高原训练

中度高原空气密度只有海拔平面的77%．氧含量只有平原地区的3/4左右，氧分压大于平原地区的20—25%、当运动员在这样的环境下进行训练时、由于"调节适应期"产生应激，呼吸频率和心率加快、溶解在血管里的部分氧气受低气压的影响不易被身体吸收、使血管体积增大、血管扩张，血管壁增厚，血管变粗，通过的血量增多，从而更好地锻炼了运动员的心血管系统，提高了最大摄氧量和血色素浓度，增强了耐受乳酸的能力．产生了高原驯化(服习)。在返回平原时，失去了获得性适应性条件．运动员会产生新条件的应激．即晚驯化--脱服习。在大赛前进行高原训练．对运动成绩的提高效果员为显著。每次训练三周左右。由于高原训练地点难找，经费开支大．

PC机器训练

是常说的微观驯化，原理与高原训练类推。

6、体重超重

超重和肥胖界定为异常或过量脂肪积累，可损害健康。体重指数（BMI）是体重/身高的简便指数，通常用于在成年人群和个人中进行超重和肥胖分类。其定义为按公斤计算的体重除以按米计算的身高的平方（kg/m2）。体重指数是最有用的人口水平超重和肥胖衡量标准，因为它对男女和各年龄的成人都一样。但是，应将其视为粗略的指导，因为可能不能表明不同个体中同样程度的肥胖。

世界卫生组织把“超重”界定为体重指数等于或大于25，“肥胖”界定为体重指数等于或大于30。这些取舍点提供了个体评估的基准，但有证据表明人群的慢性病风险从体重指数21开始渐趋上升。

2006年4月发布的新的世卫组织儿童生长标准包含婴儿和5岁以下幼儿的体重指数表。但是，衡量5至14岁儿童的超重和肥胖情况颇具挑战性，因为没有世界范围内运用的儿童期肥胖标准定义。世卫组织目前正在制定学龄儿童和青少年的国际生长参照基准。

肥胖和超重的根本原因是摄入的卡路里与消耗的卡路里之间的能量不平衡。全球超重和肥胖上升可归咎于若干因素，包括：全球饮食改变，摄入更多的高脂、高糖、但缺少维生素、矿物质及其它微量营养素的高能量食品；以及许多工作形式越来越需要常坐的性质、不断变化的交通方式和日益发展的城市化造成身体活动减少的趋势。

超重和肥胖的常见健康后果是什么？超重和肥胖可导致严重的健康后果。随着体重指数的上升，风险逐步加大。体重指数上升是诸如以下慢性病的一个重要高危因素：心血管病（主要为心脏病和中风）。这已经是世界上的头号死亡原因，每年造成1700万人死亡。糖尿病。已迅速成为一种全球流行病。据世卫组织预测，糖尿病死亡人数在今后10年内将在世界范围内上升50%以上。