Учебник. Вес и невесомость



Вес и невесомость

Силу тяжести m g → , с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис. 1.11.1). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила тяжести F → т =m g → , направленная вертикально вниз, и сила упругости F → у = N → , с которой опора действует на тело. Силу N → называют силой нормального давления или силой реакции опоры. Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга: F → т =-  F → у =- N → . В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой P → , равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону: P → =- N → . По определению, сила P → и называется весом тела. Из приведенных выше соотношений видно, что P → = F → т =m g → , т. е. вес тела P → равен силе тяжести m g → . Но эти силы приложены к разным телам!

Вес тела и сила тяжести. m g → – сила тяжести, N → – сила реакции опоры, P → – сила давления тела на опору (вес тела). m g → =-  N → = P →

Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).

Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением a → относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести m g → и сила реакции опоры N → , но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона m g → + N → =m a →   или   N → =m( a → - g → ).

Сила P → , действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна - N → . Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть P → =m( g → - a → ).

Пусть вектор ускорения a → направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для P → можно переписать в скалярной форме: P = m(g – a).

В этой формуле величины P, g и a следует рассматривать как проекции векторов P → , g → и a → на ось OY. Так как эта ось направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения a → направлен вертикально вниз, тогда a > 0 (рис. 1.11.2).

Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения a → направлен вертикально вниз. 1) a < g, P < mg; 2) a = g, P = 0 (невесомость); 3) a > g, P < 0

Из формулы (*) видно, что если a < g, то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g, то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите при выключенными реактивных двигателями.

Если вектор ускорения a → направлен вертикально вверх (рис. 1.11.3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.

Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения a → направлен вертикально вверх. Вес тела приблизительно в два раза превышает по модулю силу тяжести (двукратная перегрузка)
Человек в лифте

 

 

 

 

 

 

 

Смотрите также: Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: библиотека ЭОРов и образовательный онлайн-сервис с тысячами интерактивных работ "Облако знаний".

 

 

 

© Физикон, 1999-2026