Вага тіла та невагомість

Дія гравітації Землі призводить до того, що у тіл Землі з'являється вага. У побуті це поняття не відрізняється від понять «маса» і «сила тяжкості». Однак у фізиці ці поняття різняться. Стисло розглянемо визначення поняття «вага» та особливості цього явища.

Сутність ваги тіла

Як відомо з курсу фізики в 10 класі, будь-яке тіло, що знаходиться на Землі, зазнає дії сили тяжіння. Однак далеко не в будь-якому випадку сила тяжіння призводить до руху тіла. У більшості випадків на тіло діє ще одна сила, що врівноважує силу тяжіння. Ця врівноважуюча сила називається реакцією опори. Рівнодіюча сили тяжкості та реакції опори дорівнює нулю, тому тіло спочиває.

А згідно з третім законом Ньютона, раз існує сила реакції опори, повинна існувати рівна їй сила, що діє на саму опору.

Сила, з якою тіло діє опору чи підвіс, називається вагою тіла.

Особливості ваги тіла

З наведеного визначення можна виділити важливі особливості ваги тіла, що відрізняється від близьких понять.

• По-перше, вага – це сила. Цим він відрізняється від поняття «маса». Маса - це міра інертності тіла, і вона не залежить від того, чи є у тіла опора. Вага - це міра взаємодії тіл, без взаємодії її не буде.
• По-друге, сила тяжіння прикладена до тіла, а вага — до опори.
• По-третє, сила тяжіння залежить лише від маси тіла та від прискорення вільного падіння. Вага залежить від усіх сил, прикладених до тіла, у тому числі від архімедової сили (якщо тіло знаходиться в повітрі або у воді) і від сили інерції (якщо тіло рухається з прискоренням).

Фактично, вага – це окремий випадок сили пружності.

Невагомість

З четвертої із зазначених особливостей випливає, що якщо у тіла немає опори, то у нього відсутня вага, реакції опори також немає. Кажуть, що тіло перебуває у стані невагомості. У такому стані відсутня як вага, і реакція опори. Зауважимо, що маса тіла та сила тяжіння залишаються незмінними. Тому тіло в стані невагомості рухатиметься рівноприскорено за напрямом дії сили тяжіння.

Найбільш відомий приклад руху у невагомості - це рух космічного корабля по орбіті. Єдина сила, яка діє, — це сила тяжкості. Вона повідомляє кораблю доцентрове прискорення, завдяки якому орбіта має кругову або еліптичну форму.

Однак, для дослідження ваги тіла та невагомості не обов'язково запускати космічні кораблі. Будь-яке тіло на початку падіння рухається без опори, а значить, перебуває у стані невагомості. Щоправда, час перебування у такому стані невеликий. У міру набору швидкості, на тіло починає діяти сила опору повітря, яка є опорою, і у тіла з'являється вага.

Повноцінний (хоч і дуже короткочасний) стан невагомості відчуває людина під час звичайного стрибка.

Що ми дізналися?

Вага - це сила, з якою тіло діє на опору. На відміну від сили тяжіння, яка діє незалежно від опори, для існування ваги опора необхідна. Фактично, вага – це окремий випадок сили пружності. Якщо тіло немає опори, воно перебуває у стані невагомості.

Вага тіла

Поняття "вага тіла" дуже часто використовується в повсякденному житті. Багато продуктів та матеріалів купуються, виходячи з виміряної ваги. Як правило, у побуті поняття ваги ототожнюється із поняттям маси тіла.Однак у фізиці це не одне й те саме. Понад те, ці величини не рівні. Розглянемо цю тему докладніше, наведемо визначення та формулу ваги тіла.

Вага тіла

Щоб зрозуміти фізичну природу ваги тіла, досить згадати, як відбувається зважування на пружинних терезах. На чашку терезів укладається тіло, під дією сили тяжіння воно стискає пружину, і за ступенем цього стиснення можна судити про те, скільки важить тіло.

Тобто сила, з якою тіло впливає на опору, називається вагою.

Знайдемо величину цієї сили. На тіло, що має опору, діє сила тяжіння $m \overrightarrow <\mathrm>$ і сила реакції опори $\overrightarrow$.

За третім законом Ньютона, тіло також діє на опору з рівною силою $\overrightarrow

= – \overrightarrow $ (протилежної за напрямом). Ця сила є вагою тіла.

Якщо опора (і тіло разом з нею) рухається вгору із прискоренням $\overrightarrow$, то за другим законом Ньютона маємо:

$$\overrightarrow + m \overrightarrow <\mathrm> = m \overrightarrow $$

Враховуючи рівність ваги та її протилежну спрямованість щодо реакції опори, після проектування на вісь координат, спрямовану вниз, можна записати:

Це і є формула ваги тіла масою $m$, що існує в умовах гравітації (прискорення вільного падіння $mathrm$), що має опору, яка рухається вгору з прискоренням $a$.

Властивості ваги тіла

Зі сказаного вище можна зробити важливі висновки.

• По-перше, як фізична величина, вага є силою. Тому одиниця виміру ваги у фізиці — ньютон.
• По-друге, вага фактично це прояв сил пружності. Вага у результаті взаємодії тіла з опорою.
• По-третє, вага залежить від прискорення, з яким рухається опора.Якщо опора нерухома (або рухається рівномірно та прямолінійно), то вага дорівнює силі тяжіння.

Остання властивість показує, що вага - це величина непостійна, і може бути як менше, так і більше сили тяжіння залежно від руху опори.

Невагомість та перевантаження

Отже, вага без опори немає. Кажуть, що тіло, яке не має опори, перебуває в стані невагомості.

Зверніть увагу, стан невагомості не залежить від того, чи діє тіло гравітаційна сила чи ні. Предмет під час вільного падіння, кабіна ліфта в момент початку спуску, коли натяг троса зник, людина під час стрибка — це приклади стану невагомості, який з'являється, незважаючи на дію сили тяжіння.

З формули ваги тіла випливає, що якщо опора рухається з прискоренням, у тіла з'являється вага, яка може бути навіть більшою, ніж сила тяжіння. У цьому випадку говорять про перевантаження.

Оскільки в формулу ваги входить маса та сума прискорення, перевантаження можна вимірювати в одиницях $ mathrm $. Для знаходження навантаження використовується формула:

Фактично перевантаження показує, у скільки разів вага тіла більша за силу тяжкості, що діє на тіло на Землі. Перевантаження $k=1$ означає звичайну вагу тіла, перевантаження $k=2$ означає, що вага тіла вдвічі більша, ніж сила тяжіння тощо.

Що ми дізналися?

Вага тіла — це сила, з якою тіло діє опору. Фактично це вияв сили пружності. Тіло, яке не має опори, знаходиться в стані невагомості. Якщо опора тіла рухається із прискоренням, тіло зазнає перевантаження.

Підручник Вага та невагомість

Силу тяжіння m g → , з якою тіла притягуються до Землі, потрібно відрізняти від ваги тіла.Поняття ваги широко використовується в повсякденному житті.

Вага тіла називають силу, з якою тіло внаслідок його тяжіння до Землі діє опору чи підвіс. При цьому передбачається, що тіло нерухомо щодо опори чи підвісуНехай тіло лежить на нерухомому відносно Землі горизонтальному столі (рис. 1.11.1). інерційною. На тіло діють сила тяжіння F → т = m g → , спрямована вертикально вниз, і сила пружності F → у = N → , з якою опора діє на тіло Силу N → силою нормального тиску або силою реакції опори. тіло, що врівноважують один одного: F → т = - F → у = - N → . діє на опору з деякою силою P → , що дорівнює модулю силі реакції опори і спрямованої в протилежний бік: P → = - N → . За визначенням, сила P → і називається вагою тіла. → т = m g → , тобто вага тіла P → дорівнює силі тяжкості m g → . Але ці сили прикладені до різних тіл!

Вага тіла та сила тяжкості m g → – сила тяжіння, N → – сила реакції опори, P → – сила тиску тіла на опору (вага тіла) = n g = P →

Якщо тіло нерухомо висить на пружині, то роль сили реакції опори (підвісу) відіграє пружна сила пружини. важільні ваги, порівнюючи вагу даного тіла з вагою гир на рівноважному важеліПриводячи в рівновагу важелі ваги шляхом зрівнюючи ваги тіла сумарною вагою гир, ми одночасно досягаємо рівності маси тіла сумарній масі гир незалежно від значення прискорення вільного падіння в даній точці земної поверхні. Наприклад, при підйомі в гори на висоту 1 км показання пружинних ваг змінюються на 0,0003 від свого значення лише на рівні моря. При цьому рівновага важелів ваг зберігається. Тому важільні ваги є приладом визначення маси тіла шляхом порівняння з масою гир (эталонов).

Розглянемо тепер випадок, коли тіло лежить на опорі (або підвішене на пружині) у кабіні ліфта, що рухається з деяким прискоренням a → щодо Землі. Система відліку, пов'язана з ліфтом, не є інерційною. На тіло, як і раніше, діють сила тяжіння m g → і сила реакції опори N → , але тепер ці сили не врівноважують одна одну. За другим законом Ньютона mg → + N → = m a → або N → = m (a → - g →).

Сила P → , що діє на опору з боку тіла, яку називають вагою тіла, за третім законом Ньютона дорівнює N → . Отже, вага тіла в ліфті, що прискорено рухається, є P → = m ( g → - a → ) .

Нехай вектор прискорення a → спрямований на вертикалі (вниз або вгору). Якщо координатну вісь OY направити вертикально вниз, то векторне рівняння для P → можна переписати у скалярній формі: P = m(g – a).

У цій формулі величини P, g і a слід розглядати як проекції векторів P → , g → та a → на вісь OY. Так як ця вісь спрямована вертикально вниз, g = const > 0, а величини P і a можуть бути як позитивними, і негативними. Нехай для визначеності вектор прискорення a → спрямований вертикально вниз, тоді a > 0 (Рис. 1.11.2).

Вага тіла в ліфті, що прискорено рухається.Вектор прискорення a → вертикально вниз. 1) a < g, P < mg; 2) a = g, P = 0 (Невагомість); 3) a > g, P < 0

З формули (*) видно, що якщо a < g, то вага тіла P в ліфті, що прискорено рухається, менше сили тяжіння. Якщо a > g, то вага тіла змінює знак. Це означає, що тіло притискається не до підлоги, а до стелі кабіни ліфта (негативна вага). Зрештою, якщо a = g, то P = 0. Тіло вільно падає на Землю разом із кабіною. Такий стан називається невагомістю. Воно виникає, наприклад, у кабіні космічного корабля при його русі по орбіті при вимкнених реактивних двигунах.

прискорення a → спрямований вертикально вгору. Вага тіла приблизно вдвічі перевищує за модулем силу тяжкості (дворазове навантаження) Людина в ліфті