"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Вес тела — сила, с которой тело давит на опору или натягивает подвес, а не сама сила притяжения Земли. Когда тело и опора свободно падают вместе, давление исчезает: вес становится равен нулю, хотя гравитация продолжает действовать. Поэтому невесомость можно испытать и возле Земли, а космонавты чувствуют её на орбите. Знание связи веса с ускорением помогает объяснить ощущения в лифте и движение спутников.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вес тела — сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. Его не следует путать с силой тяжести: вес приложен к опоре, а сила тяжести — к телу. Это различие помогает правильно выбирать силы для решения задач.
Невесомость — состояние, при котором вес тела равен нулю. Так происходит, когда тело и его опора или подвес вместе движутся с ускорением свободного падения. Понятие объясняет, почему человек может не давить на пол, хотя Земля продолжает его притягивать.
Свободное падение — движение тела только под действием силы тяжести. Если тело падает вместе с опорой, они ускоряются одинаково, и тело не давит на неё. Поэтому при свободном падении возможно состояние невесомости.
Перегрузка — увеличение веса по сравнению с весом тела в покое. Она возникает, например, когда опора ускоряется вверх и сильнее давит на тело. Это понятие нужно, чтобы описывать ощущения человека в лифте или при резком ускорении.
Сила тяжести и вес появляются во взаимодействиях разных пар тел. Земля притягивает человека, поэтому сила тяжести приложена к человеку; человек, в свою очередь, давит на пол, и это действие называют весом. Пол действует на человека силой реакции опоры в противоположную сторону, а вес и реакция опоры образуют пару сил взаимодействия. Если человек стоит неподвижно, силы тяжести и реакция опоры уравновешены, а модуль веса равен mg.
Когда опора ускоряется вверх, она должна не только уравновесить тяжесть, но и сообщить телу ускорение вверх. По второму закону Ньютона N − mg = ma, поэтому N = m(g + a), где N — реакция опоры и одновременно модуль веса. Если опора ускоряется вниз, но медленнее, чем при свободном падении, то mg − N = ma и N = m(g − a). Значит, вниз вес уменьшается, а при ускорении вниз с a = g становится нулевым.
Для невесомости тело и его опора должны иметь одинаковое ускорение свободного падения. В таком случае опора не толкает тело: сила реакции N равна нулю, и тело не действует на неё с весом. Сила тяжести mg при этом остаётся, но она сама сообщает телу необходимое ускорение. Именно поэтому отсутствие веса не означает исчезновения притяжения Земли.
Космонавты на орбите невесомы, потому что корабль и люди внутри него непрерывно падают под действием притяжения Земли. У корабля есть скорость вдоль поверхности планеты: пока он падает, поверхность Земли из-за её кривизны уходит вниз. Поэтому корабль движется вокруг Земли, а космонавты не опираются на его стенки. Они не находятся вне земного притяжения — гравитация как раз удерживает корабль на орбите.
Кратковременную невесомость можно получить и вблизи поверхности Земли, если тело и опора свободно падают вместе. Здесь притяжение почти такое же, как обычно, но опора не поддерживает тело, поэтому вес равен нулю. Это отличается от отсутствия гравитационного притяжения: при невесомости сила тяжести действует, а при полном отсутствии притяжения она была бы равна нулю. На практике свободное падение может быть недолгим и ограничено условиями безопасности.
| Условия движения | Направление ускорения опоры | Вес тела | Состояние тела |
|---|---|---|---|
| Опора покоится или движется равномерно | Ускорения нет | Равен mg | Обычное состояние |
| Опора ускоряется вверх | Вверх | Больше mg: m(g + a) | Перегрузка |
| Опора ускоряется вниз, но не в режиме свободного падения | Вниз, ускорение меньше g | Меньше mg: m(g − a) | Вес уменьшен |
| Опора и тело свободно падают | Вниз, с ускорением g | Равен нулю | Невесомость |
Сначала определите направление ускорения опоры, затем сравните его с направлением свободного падения. Для формул здесь a — модуль ускорения опоры, а g — ускорение свободного падения. Если опора ускоряется вниз с ускорением g, вес становится нулевым.
Лифт стоит, пассажир имеет массу m. Нужно сравнить его вес и силу тяжести. Различаем силы по тому, на какие тела они действуют, а затем используем отсутствие ускорения пассажира.
Ответ: вес пассажира равен по модулю силе тяжести, но это разные силы и приложены они к разным телам.
Пассажир массой m находится в лифте, который ускоряется вверх с ускорением a. Требуется найти его вес, то есть силу, с которой он давит на пол. Сначала найдём реакцию пола, поскольку пассажир и пол взаимодействуют с равными по модулю силами.
Ответ: вес пассажира P = m(g + a), он больше, чем mg. Если известны m и a, их подставляют в формулу, используя g ≈ 9,8 м/с².
Кабина и пассажир одновременно переходят в режим свободного падения. Нужно понять, что покажут весы, стоящие под пассажиром. Весы измеряют силу давления пассажира на платформу, а не силу тяжести непосредственно.
Ответ: весы покажут ноль. Сила тяжести на пассажира продолжает действовать, но опора не оказывает на него силы реакции.
Считать вес и силу тяжести одной силой. Их путают, потому что в покое модули этих сил равны. Проверка: укажите, на какое тело действует каждая сила — сила тяжести на тело, вес на опору или подвес.
Утверждать, что при невесомости исчезает гравитация. Так думают, потому что человек перестаёт ощущать давление опоры. Но ускорение свободного падения возникает именно из-за силы тяжести, поэтому проверьте, какие силы действуют на падающее тело.
Считать, что невесомость возможна только далеко от Земли. Космический полёт часто связывают с удалением от планеты, хотя невесомость зависит от отсутствия давления опоры, а не от расстояния. Проверка: если тело и опора вблизи Земли падают вместе, их вес тоже равен нулю.
Считать любое движение лифта вниз причиной невесомости. Само направление движения не задаёт вес: важен модуль ускорения. Если лифт движется вниз равномерно, вес не меняется, а невесомость появляется только при свободном падении с ускорением g.
Для объяснения веса нужны второй закон Ньютона, сила тяжести и понятие ускорения. Эти знания позволяют составлять уравнение движения пассажира и находить реакцию опоры при разных ускорениях лифта. Связь с неинерциальными системами отсчёта помогает описывать ощущения в ускоренно движущейся кабине. Понятие невесомости также используется при изучении искусственных спутников и условий жизни космонавтов на орбите.
Почему космонавты на орбите испытывают невесомость, если Земля притягивает их?
Земля притягивает и корабль, и космонавтов, поэтому они вместе непрерывно падают к ней. Их движение по орбите не даёт им достичь поверхности, а отсутствие опоры между человеком и кораблём означает нулевой вес.
Исчезает ли сила тяжести при невесомости?
Нет, сила тяжести продолжает действовать. Нулевым становится вес — сила, с которой тело давит на опору или действует на подвес.
Можно ли испытать невесомость на Земле?
Да, кратковременная невесомость возникает, например, в кабине лифта, которая свободно падает, вместе с пассажиром. Подобное состояние создают и в самолётах на специальных участках полёта.
Чем вес тела отличается от силы тяжести?
Сила тяжести действует на само тело со стороны Земли. Вес — это сила, с которой тело действует на свою опору или подвес, поэтому эти силы приложены к разным объектам.
Почему при ускорении лифта вверх человек ощущает себя тяжелее?
Чтобы ускорить человека вверх, пол кабины должен действовать на него с большей силой, чем требуется для уравновешивания силы тяжести. Поэтому пассажир сильнее давит на пол, и его вес увеличивается.
2. Невесомость
