Вес и невесомость
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Вес и невесомость

    Существует различие между силой тяжести mg и весом тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

    Определение 1

    Вес тела – это сила, с которой притягивается тело Землей и действует на опору или подвес, причем неподвижно и относительно опоры или подвеса.

    На рисунке 1.11.1 изображено неподвижное тело.

    Определение 2

    Система отсчета, связанная с Землей, называется инерциальной.

    Тело подвергается воздействию силы тяжести F=mg, направленной вертикально вниз, и силы упругости Fу=N, действующей на него.

    Реакция опоры

    Определение 3

    Сила N называют силой нормального давления или силой реакции опоры.

    Действующие на тело силы всегда уравновешивают друг друга по формуле Fт=-Fy=-N. По третьему закону Ньютона имеем, что тело, подвергающееся воздействию силы P на опору, равняется по модулю силе реакции опоры направленной в противоположную сторону, тогда P=-N.

    Из определения видно, что P называют весом тела. По соотношениям P=Fт=mg он равняется силе тяжести. Причем силы приложены к разным телам.

    Рисунок 1.11.1. Вес тела и сила тяжести.  mg – сила тяжести, N – сила реакции опоры, P– сила давления тела на опору (вес тела). mg=-N=P.

    Когда тело находится в неподвижном подвешенном состоянии на пружине, тогда роль силы реакции опоры относят к упругой силе пружины. При ее растяжении определяется вес тела и сила его притяжения Землей. Для этого применяют рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Когда они находятся в равновесии, можно достичь равенства массы тела суммарной массой гирь. Значение ускорения свободного падения от этого не зависит.

    Пример 1

    Если поднять в гору на 1 км пружинные весы, то их показания изменятся на 0,0003 от начального значения. Но состояние равновесия сохраняется. Рычажные весы считают прибором для определения массы тела при помощи сравнения с массой гирь, то есть эталонов.

    Если тело располагается на опоре или подвешено на пружине, движущейся с ускорением a относительно Земли. Такая система отсчета не считается инерциальной. Тело подвергается воздействию силы тяжести mg и силы реакции опоры N. Отличие массы от веса состоит в том, что они друг друга не уравновешивают в данном случае.

    Вес тела

    Исходя из второго закона Ньютона mg+N=ma или N=m(a-g).

    Действующая на опору сила P со стороны тела называется весом тела, а исходя из третьего закона Ньютона, равняется -N. Тогда он в равноускоренно движущемся лифте равняется

    P=m(g-a).

    Имеется вектор ускорения a, направленный по вертикали вниз или вверх. При определении оси Оу вертикально вниз, векторное уравнение для P получает скалярную форму записи

    P=m(g-a).

    Из формулы видно, что P, g и a рассматриваются как проекции векторов P, g и a на ось OY. Вертикальное направление оси говорит о том, g=const>0, а P и a принимают положительные и отрицательные значения. Рисунок 1.11.2 показывает направление вниз вектора ускорения a при a>0.

    Рисунок 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.

    Формула P=m(g-a) указывает на наличие меньшего действия веса тела P, в отличие от силы тяжести при a<g. Когда a>g , вес тела меняет знак на противоположный. Это говорит о прижимании тела не к полу, а к потолку кабины лифта. При падении тело соответствует условиям a=g, то P=0. Это состояние получило название невесомости. Его возникновение возможно в кабине космического корабля во время движения по орбите с выключенными реактивными двигателями.

    На рисунке 1.11.3 показано направление вектора ускорения вертикально вверх, откуда следует a<0. Очевидно, что вес тела превышает силу тяжести по модулю.

    Перегрузка

    Определение 4

    Перегрузка – это увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса.

    Действие перегрузки на себе ощущали космонавты при взлете во время вхождения в плотные слои атмосферы. Также это явление характерно для летчиков, выполняющих фигуры высшего пилотажа.

    Рисунок 1.11.3. 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).

    Рисунок 1.11.4. Модель человека в лифте.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,7 из 5 (18 голосов)