Вес тела и невесомость: Вес тела. Невесомость – Вес и невесомость

Вес. Невесомость - Класс!ная физика

Вес. Невесомость

«Физика - 10 класс»

Вспомните определение силы тяжести. Может ли она исчезнуть?

Как мы знаем, силой тяжести называют силу, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи этой поверхности.

Весом тела называют силу, с которой это тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес.

Вес не является силой какой-то специфической природы. Это название присвоено частному случаю проявления силы упругости.

Вес действует непосредственно на чашку пружинных весов и растягивает пружину; под действием этой силы поворачивается коромысло рычажных весов.
Поясним сказанное простым примером.

Пусть тело А находится на горизонтальной опоре В (рис. 3.9), которой может служить чашка весов.
Силу тяжести обозначим через , а силу давления тела на опору (вес) — через 1.
Модуль силы реакции опоры равен модулю веса 1 согласно третьему закону Ньютона.

Сила направлена в сторону, противоположную весу 1


Сила реакции опоры приложена не к опоре, а к находящемуся на ней телу.

В то время как сила тяжести обусловлена взаимодействием тела с Землёй, вес 1 появляется в результате совсем другого взаимодействия — взаимодействия тела А и опоры В.
Поэтому вес обладает особенностями, существенно отличающими его от силы тяжести.

Важнейшей особенностью веса является то, что его значение зависит от ускорения, с которым движется опора.

При перенесении тел с полюса на экватор их вес изменяется, так как вследствие суточного вращения Земли весы с телом имеют на экваторе центростремительное ускорение.
По второму закону Ньютона для тела, находящегося на экваторе, имеем


где N — сила реакции опоры, равная весу тела.


Отсюда

На полюсе вес тела равен силе тяготения. Очевидно, что на полюсе вес тела больше, чем на экваторе.

Остановимся на более простом случае.
Пусть тело находится на чашке пружинных весов в лифте, движущемся с ускорением .
Согласно второму закону Ньютона

m = +

где m — масса тела.

Координатную ось OY системы отсчёта, связанной с Землёй, направим вертикально вниз.

Запишем уравнение движения тела в проекции на эту ось:

у = Fy + Nу.

Если ускорение направлено вниз, то, выражая проекции векторов через их модули, получаем mа = F - N. Так как N = F1, то mа = F - F1.
Отсюда ясно, что лишь при а = 0 вес равен силе, с которой тело притягивается к Земле (F1 = F). Если а ≠ 0, то F1 = F - mа = m(g - а).

Вес тела зависит от ускорения, с которым движется опора, и появление этого ускорения эквивалентно изменению ускорения свободного падения.
Если, например, заставить лифт падать свободно, т. е. а = g, то F1 = m(g - g) = 0, тело находится в состоянии невесомости.

Наступление у тел состояния невесомости означает, что тела не давят на опору и, следовательно, на них не действует сила реакции опоры, они движутся только под действием силы притяжения к Земле.

Одинакова ли природа невесомости у тел, находящихся в лифте, и у тел, находящихся в спутнике?

Механическая сущность невесомости состоит в том, что в системе отсчёта, движущейся относительно Земли с ускорением свободного падения, исчезают все явления, которые на Земле обусловлены силой тяжести.

Многократно проводились опыты, в которых создавалось состояние невесомости. Например, самолёт разгоняется и начиная с некоторого момента движется строго по параболе, той, которая была бы в отсутствие воздуха.

В кабине при этом наблюдаются необыкновенные явления: маятник замирает в отклонённом положении, выплеснутая из стакана вода большой сферической каплей повисает в воздухе, и рядом с ней застывают, будто подвешенные на невидимых нитях, все остальные предметы независимо от их массы и формы.

То же самое происходит и в кабине космического корабля при движении его по орбите.
На большой высоте над Землёй почти нет воздуха, так что не надо его сопротивление компенсировать работой двигателей.
Да и полёт длится не минуту, а многие сутки.

Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Динамика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Основное утверждение механики --- Сила --- Инертность тела. Масса. Единица массы --- Первый закон Ньютона --- Второй закон Ньютона --- Принцип суперпозиции сил --- Примеры решения задач по теме «Второй закон Ньютона» --- Третий закон Ньютона --- Геоцентрическая система отсчёта --- Принцип относительности Галилея. Инвариантные и относительные величины --- Силы в природе --- Сила тяжести и сила всемирного тяготения --- Сила тяжести на других планетах --- Примеры решения задач по теме «Закон всемирного тяготения» --- Первая космическая скорость --- Примеры решения задач по теме «Первая космическая скорость» --- Вес. Невесомость --- Деформация и силы упругости. Закон Гука --- Примеры решения задач по теме «Силы упругости. Закон Гука» --- Силы трения --- Примеры решения задач по теме «Силы трения» --- Примеры решения задач по теме «Силы трения» (продолжение) ---

Базовая физика. Чем отличаются вес и масса. Невесомость

N называется силой реакции опоры, уравновешивает силу тяжести (в данном случае равна по модулю тем же самым 10 Ньютонам), так что равнодействующая сила F (сумма всех сил) равна нулю: F = mg - N = 0.

А то, что силы уравновешены, мы видим из второго закона Ньютона F = m*a, согласно которому если ускорение тела a равно нулю (то есть оно либо покоится, как в нашем случае, либо движется равномерно и прямолинейно), то равнодействующая сила F тоже равна нулю.

Вот теперь можно наконец сказать, что такое вес - это сила, с которой тело действует на подставку или подвес. Согласно третьему закону Ньютона эта сила противоположна силе N и равна ей по модулю. То есть в данном случае составляет те же 10 Н = 1 кгс. Вам, может быть, покажется, что всё это излишне сложно, и надо было сразу сказать, что вес и сила тяжести - одно и то же? Ведь они совпадают и по направлению, и по величине.

Нет, на самом деле они отличаются существенно. Сила тяжести действует постоянно. Вес меняется в зависимости от ускорения тела. Давайте приведём примеры.

1. Вы стартуете вверх на скоростном лифте (скоростном, чтобы фаза ускорения была эффектнее/заметнее). Ваша масса, скажем, 70 кг (вы можете пересчитать все числа ниже для вашей массы). Ваш вес в неподвижном лифте (перед стартом) равен 700 Н (или 70 кгс). В момент разгона вверх результирующая сила F направлена вверх (именно она вас и разгоняет), сила реакции N превышает силу тяжести mg, и поскольку ваш вес (сила, с которой вы действуете на пол лифта) по модулю совпадает с N, вы испытываете так называемую перегрузку. Если бы лифт разгонялся с ускорением g, то вы бы испытали вес 140 кгс, то есть перегрузку 2g, в 2 раза превышающую вес в состоянии покоя. На самом деле в штатном режиме таких перегрузок в лифтах не бывает, ускорение обычно не превышает 1 м/с2, что приводит к перегрузке всего 1.1g. Вес в нашем случае составит 77 кгс. Когда лифт разогнался до нужной скорости, ускорение равно нулю, вес возвращается к начальным 70 кгс. При замедлении вес, напротив, уменьшается, и если ускорение при этом по модулю равно 1 м/с2, то перегрузка составит 0.9g. При движении в обратную сторону (вниз) ситуация переворачивается: при разгоне вес уменьшается, на равномерном участке вес восстанавливается, при замедлении вес увеличивается.

2. Вы бежите, и ваш вес в состоянии покоя по-прежнему 70 кгс. В момент бега, когда вы отталкиваетесь от земли, ваш вес превышает 70 кгс. А пока вы летите (одна нога оторвалась от земли, другая - еще не коснулась), ваш вес равен нулю (поскольку вы не воздействуете ни на подставку, ни на подвес). Это - невесомость. Правда, совсем короткая. Таким образом, бег - это чередование перегрузок и невесомости.

Напомню, что сила тяжести во всех этих примерах никуда не девалась, не менялась, и составляла ваши "кровные" 70 кгс = 700 Н.

Теперь существенно удлиним фазу невесомости: представьте, что вы находитесь на МКС (международной космической станции). При этом мы не устранили силу тяжести - она по-прежнему действует на вас - но поскольку и вы, и станция находитесь в одинаковом орбитальном движении, то относительно МКС вы в невесомости. Можно представить себя где угодно в открытом космосе, просто МКС немного реалистичнее. )

Каким будет ваше взаимодействие с объектами? Ваша масса 70 кг, вы берёте в руку объект массой 1 кг, отбрасываете его от себя. В соответствии с законом сохранения импульса основную скорость получит 1-кг-объект, как менее массивный, и бросок будет примерно столь же "легким", как и на Земле. Но если вы попытаетесь оттолкнуться от объекта массой 1000 кг, то вы фактически оттолкнете себя от него, поскольку основную скорость в этом случае получите вы сами, и для разгона своих 70 кг придётся развить бОльшую силу. Чтобы примерно это представить, каково это, можете подойти сейчас к стене и оттолкнуться от неё руками.

Теперь вы вышли из станции в открытый космос и хотите поманипулировать каким-то массивным объектом. Пусть его масса будет пять тонн.

Честно сказать, я бы прямо очень поостерегся управляться с пятитонным объектом. Да, невесомость и все дела. Но достаточно лишь небольшой его скорости относительно МКС, чтобы прижать вам палец или чего-то посерьёзнее. Эти пять тонн сложно переместить: разогнать, остановить.

А уж представлять, как предложил один человек, себя между двумя объектами массой по 100 тонн и вовсе не хочется. Малейшее их встречное движение, и они вас с лёгкостью придавят. В полнейшей, что характерно, невесомости. )

Ну и наконец. Если вы будете весело лететь по МКС и ударитесь об стенку/переборку, то вам будет больно ровно так же, как если бы вы с той же скоростью бежали и ударились об стену/косяк в своей квартире. Потому что удар уменьшает вашу скорость (то есть сообщает вам ускорение со знаком минус), а ваша масса одинакова в обоих случаях. А значит по второму закону Ньютона и сила воздействия будет соразмерна.

Радует, что в фильмах про космос ("Гравитация", "Интерстеллар", сериал "The Expanse") всё более реалистично (пусть и не без огрехов типа Джорджа Клуни, безнадёжно улетающего от Сандры Буллок) отображают базовые вещи, описанные в этом посте.

Резюмирую. Масса "неотчуждаема" от объекта. Если объект сложно разогнать на Земле (особенно если вы постарались минимизировать трение), то его так же сложно разогнать и в космосе. А что касается весов, то когда вы на них становитесь, они просто измеряют силу, с которой их сдавливают, и для удобства отображают эту силу не в Ньютонах, а в кгс. Не дописывая при этом букву "с", чтобы вас не смущать. )

Вес и невесомость

Известно, что в космических кораблях, самолётах и даже вблизи земли может наступать явление невесомости – отсутствие веса, то есть силы, с которой тело действует на опору или подвес (см. § 3-г).

Для выяснения причин невесомости познакомимся сначала с формулой для нахождения веса тела, движущегося с ускорением. Чтобы охватить множество различных направлений вектора ускорения тела по сравнению с вектором ускорения свободного падения, рассмотрим грузик на нити, который вращают в вертикальной плоскости (см. чертёж).

Здесь должен быть рисунок

На грузик действуют два тела: нить и Земля, то есть действуют две силы: Fупр и Fтяж.

Здесь должен быть рисунок

Выпишем начало и конец равенства в виде самостоятельной формулы для определения вектора веса тела, движущегося с ускорением:

Здесь должен быть рисунок W – модуль веса тела, Н
g – модуль ускорения свободного падения, м/с2
a – модуль ускорения тела, м/с2
m – масса тела, кг

Проанализируем формулу. Если ускорение тела a векторно равно g, разность в скобках обращается в ноль, и возникает невесомость.

Это может произойти, например, если нить оборвётся. Тогда грузик будет совершать свободное падение – движение только под действием силы тяжести. Так может быть не только с грузиком, но и с любым свободно падающим телом. Например, когда самолёт выключает двигатели и пикирует вниз, когда космический корабль выключает двигатели и движется вокруг Земли только под действием силы тяжести.

Примечание. Поскольку формула векторная, она будет справедлива в любой точке любой траектории, даже прямолинейной (см. задачу в § 13-г).

Военные лётчики и испытатели самолётов хорошо знают фигуру высшего пилотажа «петля Нестерова». Она заключается в том, что самолёт движется в небе также, как и рассмотренный грузик на нити – описывая окружность в вертикальной плоскости. При этом люди в самолёте испытывают перегрузку – многократное увеличение веса: как собственного, так и предметов вокруг. Значение перегрузки, то есть кратность увеличения веса, можно рассчитать по выведенной нами формуле. Рассмотрим пример.

Задача. Мальчик равномерно вращает грузик на нити в вертикальной плоскости так, что в верхней точке грузик совершенно не натягивает нить. Во сколько раз вес грузика в нижней точке превосходит обычный вес этого же грузика в состоянии покоя? Сделайте чертёж.

Решение. Если натяжение нити в верхней точке окружности равно нулю, следовательно, вес грузика равен нулю – он испытывает невесомость.

Здесь должен быть рисунок

Используем формулу для определения вектора веса:

Здесь должен быть рисунок

Запишем её в проекциях на ось Y для верхней и нижней точек траектории (левый и правый столбцы):

Здесь должен быть рисунок

Последнее равенство означает, что вес грузика (то есть сила, с которой он тянет нить) в нижней точке траектории направлен противоположно оси Y, то есть вниз, и по модулю в два раза больше веса грузика при его покое. Поэтому говорят, что грузик испытывает двухкратную перегрузку. Напротив, в верхней точке грузик не натягивает нить, значит, он невесом.

13-е. Вес и невесомость

      § 13-е. Вес и невесомость

Известно, что в космических кораблях, самолётах и даже вблизи земли может наступать явление невесомости – отсутствие веса, то есть силы, с которой тело действует на опору или подвес (см. § 3-г).

Для выяснения причин невесомости познакомимся сначала с формулой для нахождения веса тела, движущегося с ускорением. Чтобы охватить множество различных направлений вектора ускорения тела по сравнению с вектором ускорения свободного падения, рассмотрим грузик на нити, который вращают в вертикальной плоскости (см. чертёж).

На грузик действуют два тела: нить и Земля, то есть действуют две силы: Fупр и Fтяж.

Выпишем начало и конец равенства в виде самостоятельной формулы для определения вектора веса тела, движущегося с ускорением:

Проанализируем формулу. Если ускорение тела a векторно равно g, разность в скобках обращается в ноль, и возникает невесомость.

Это может произойти, например, если нить оборвётся. Тогда грузик будет совершать свободное падение – движение только под действием силы тяжести. Так может быть не только с грузиком, но и с любым свободно падающим телом. Например, когда самолёт выключает двигатели и пикирует вниз, когда космический корабль выключает двигатели и движется вокруг Земли только под действием силы тяжести.

Примечание. Поскольку формула векторная, она будет справедлива в любой точке любой траектории, даже прямолинейной (см. задачу в § 13-г).

Военные лётчики и испытатели самолётов хорошо знают фигуру высшего пилотажа «петля Нестерова». Она заключается в том, что самолёт движется в небе также, как и рассмотренный грузик на нити – описывая окружность в вертикальной плоскости. При этом люди в самолёте испытывают перегрузку – многократное увеличение веса: как собственного, так и предметов вокруг. Значение перегрузки, то есть кратность увеличения веса, можно рассчитать по выведенной нами формуле. Рассмотрим пример.

Задача. Мальчик равномерно вращает грузик на нити в вертикальной плоскости так, что в верхней точке грузик совершенно не натягивает нить. Во сколько раз вес грузика в нижней точке превосходит обычный вес этого же грузика в состоянии покоя? Сделайте чертёж.

Решение. Если натяжение нити в верхней точке окружности равно нулю, следовательно, вес грузика равен нулю – он испытывает невесомость.

Используем формулу для определения вектора веса:

Запишем её в проекциях на ось Y для верхней и нижней точек траектории (левый и правый столбцы):

Последнее равенство означает, что вес грузика (то есть сила, с которой он тянет нить) в нижней точке траектории направлен противоположно оси Y, то есть вниз, и по модулю в два раза больше веса грузика при его покое. Поэтому говорят, что грузик испытывает двухкратную перегрузку. Напротив, в верхней точке грузик не натягивает нить, значит, он невесом.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!