专利名称：地面失重车和地面失重室的制作方法
本专利属于地面微重力技术。
传统观念认为失重现象一是出现在人造地球卫星或飞船等上，一是出现在升降机等减速上升或加速下降的很短时间里内的物体对升降机等的支持面作用上，而有使用价值的失重现象仅限于人造地球卫星或飞船里；总觉得地面上不可能产生失重现象，因此说应用地面上的失重现象也就是无稽之谈。
人造卫星或飞船上存在着微重力现象，人们利用它来做许多生物、医学、物理、化学等实验，产生了或正在产生着始料不及的巨大的经济效益和社会效益；专家们也设想着有朝一日能把心脏病等患者送到人造地球卫星或飞船上去，由于消除了血液和机体加给心脏的沉重负荷，因而就使心脏病者等在极其轻松的环境中不治自愈，使体弱年迈者的心脏等得以休养生息而恢复健康或返老还童；但是天文数字的代价和谁也难以准确预料的风险不能不让人们望而怯步，就是搞实验也只能局限在极其狭小的范围内……如果我们在地面上获得了有使用价值的失重环境，且利用它来做种种微重力实验，让心脏病等患者不治自愈，让体弱年迈者获得了健康，其代价就会从天上掉到地上，不要说一般单位、一般人家乘的起，还可以建得起、买得起。而且象上下电梯一样安全方便，失重程度也可随意选择。
1、原理我们知道，火车在转变处的铁轨与水平面总有一定的倾角，即外轨高于内轨，这样铁轨对火车的支持力N，其方向不再是竖直的，而是倾向弯道的内侧，它与重力G的合力F向指向圆心，成为使火车转弯时的力即向心力。这个向心力实际上也是重力沿斜面方向的分力(见图一)。这个使火车转弯的力显然不是我们通常意义上的动力提供的，而是大自然对我们的无偿恩赐。假使我们把火车转弯现象推而广之，建造一个外高内低的圆形铁路，使火车始终处于“转弯”状态中，即让火车做匀速圆周运动，那么火车就会象以某一宇宙速度进入轨道的卫星一样，一旦以某以适当的速度进入圆形铁路，火车自己就会自动地周而复始地做匀速圆周运动。但空气阻力和机械摩擦力却是免不了的，它必然要消耗火车的一部分能量，从而使火车的能量逐渐减小；这就得用电力或内燃机给火车补充所消耗的能量，以维持原速运行。补充的多少，当然由圆形铁路的铁轨与水平面的倾角大小、火车质量大小、圆形铁路的半径大小，以及由三者决定的速度大小等因素来决定(见表)。
从表上的数据可以看出，圆形铁路由0°—接近90°的不同倾角，其支持力与重力的比值由1逐渐减小为趋于零；也就是说，火车对铁轨的压力由等于火车的重力逐渐减小为趋于零；这就是说，火车在与铁轨轨面垂直的方向上的重力分量是随着铁轨倾角由0°逐渐增大至趋于90°的过程而由最大逐渐减小为趋于零，或者说火车存这个方向上发生了由不失重到部分失重再到趋于完全失重的变化。
而在向心力方向或斜面方向上，重力的分量正好是向心力。在速度满足公式F向＝mgsinθ＝mv2/R的前提下，由于向心力正好等于mv2/R或等于离心力，所以在此方向上重力的分量已被抵消，即无所谓重力分量了；这就是说，做圆周运动的火车在路面方向上，不管倾角θ大小，它总是处于完全失重状态。火车转弯时，只要火车速度符合需要，铁路的内外铁轨跟火车的内外轮缘就不互相挤压，其实就是在向心力方向或斜面方向上火车不受重力分量作用或好像无重力分量了的表现，也就是失重的表现。这种失重与人造地球卫星或宇宙飞船上的失重实质上完全一样。
综上所述火车重力分解在与倾斜路面垂直方向上的重力的分量(大小与路面对火车的支持力相等，方向与支持力相反)由倾角大小决定；分解在路面方向上的重力分量在火车的线速度适当的条件下为零；那么，失重与否，以及失重程度的大小，就完全取决于倾角的大小了。如果使路面的倾角由零逐渐增大，那么火车受重力的作用就逐渐减小，即火车失重现象逐渐明显；当倾角接近90°时，支持力将趋于零，重力在斜面方向上的分力或向心力则接近于物体的重力即mg≈mv2/R，从整体来看，火车就处于了趋于完全失重即微重力的状态，类似“飞车走壁”了。那么所有放在火车底面的物体，包括躺在火车底面的人，自然也处于微重力状态。当然，如果线速度v太大，即mv2/R＞F向或重力在斜面上的分量，则铁路外轨就会与外轮缘发生挤压，以弥补不足的向心力；如果线速度v太小，即mv2/R(F向或重力在斜面上的分量，则铁路内轨就会与内轮缘发生挤压，以抵消多余的向心力；而不管发生那种挤压，都会使铁路遭到损坏。还必须清楚，地面失重现象，由于其轨道半径与失重物长度之比，远比人造卫星或宇宙飞船的轨道半径与宇宙飞船的尺寸之比大，那么相对而言，地面失重物的失重范围比宇宙飞船的失重范围也就小得多；地面失重物只有在与支持面平行的方向和垂直的方向才能获得最佳的失重效果；离开这个最佳方向越远，其失重效果就越差。
总而言之，地面失重及失重程度，我们完全可以人为地创造出来，并且可以让它来为我们服务。
2、结构根据实际需要和可能，可以建造失重车和失重室来得到不同失重程度的失重环境。
(1)失重车失重车的圆形铁路无须像通常的火车路那样的规模，有个类似矿车道大小或更小的铁路就可以了。至于半径和倾角的大小，可以由自己的条件和需要来决定(表上的数据可供参考)。但是，失重程度和相对范围大小却取决于圆形铁轨的倾角大小和半径大小。
失重车也与矿车类似，体积和重量的大小也要由自己的实际和用途来决定。失重车以流线型和封闭式为好；如果是高速运行，必须是流线型和封闭式，不然阻力将增大许多，那么能量损耗也将随之增大许多。
失重车的加速和减速铁道可以是圆形的，即它可以与圆形铁道是同心圆或螺旋形，也可以是“8”字形，直线当然也行。不管那种形式，其加速和减速轨道的倾角与失重车在不同位置的速度应互相协调。
铁道当然可建在地上，也可建在地下或高架，还可在一地建上许多不同半径的同心圆圆形铁道。
(2)失重室我们制一高度约为150厘米的转轴，在其上套一长3米的旋转杆，旋转杆离转轴为1米的一端为平衡物，另一端挂上可自由转动的高1米的流线型的空腔厚为1米、底长为2米的上小下大基本呈三角状的失重室。室的侧面有一可供人出入的小门；人进入失重室后躺在与人体曲度一致的底面，而后关上门。当转轴在速度可调节的电动机的带动下以某一速度旋转，底面便由于离心力作用自然向外倾斜一定角度，失重现象随之出现。当转速达到40.89米/秒时(即圆锥面母线长，也即指向园心的半径R＝171.4米)，人对失重室底面基本上失去压力，看上去好象站着，但却完全趋于失重状态了(见图二)。而这套装置则完全可以摆在稍大一点的屋子里。转速可以由人遥控。
必须明确，这里的半径R不能使用3米(旋转杆的长度2米＋失重室的高度近1米)，而要计算倾角为89°时向心力所指的园心的半径，即R＝3/COS89°＝3/0.0175＝171.4(米)，即要计算圆锥面的母线长。
当然，也可把平衡物改成失重室；还可在同一转轴上安上旋转杆互相垂直或互成120°的两组或三组失重室……。
当然，这里的失重室既可用来让人疗养，也可做其它失重实验。失重室可以制成大小不等的多种失重室，以满足各种不同的需要。
失重车有关数据一览表
权利要求
地面失重车和地面失重室，是根据公式F向＝mv2/R，在地面上创设类似于人造地球卫星围绕地球运转的条件，从而在地面上得到类似于人造地球卫星上的有使用价值的失重环境，以供我们使用。使用地面失重车和地面失重室不仅安全方便，且十分经济。请求保护的权利有以下七条一、地面失重车和失重室的原理；
二、地面失重车的具体结构；
三、地面失重车的外高内低的园形铁路及其半径的计算；
四、地面失重车的加、减速多种形式车道和倾斜度的设计；
五、地面失重室的具体结构；
六、单个地面失重室、多个地面失重室和大小不同规格的设计，其失重程度可以通过遥控转速来变换；
七、地面失重室和地面失重车的科学实验和医疗保健功能。
全文摘要
地面失重车和地面失重室，是根据在水平面上的外高内低的圆形铁路在火车速度满足F
文档编号B61B13/00GK1115289SQ94108409
公开日1996年1月24日 申请日期1994年7月16日 优先权日1994年7月16日
发明者刘克良 申请人:刘克良