"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Невесомость — состояние, при котором тело не давит на опору и не натягивает подвес, поэтому его вес равен нулю. Она возникает при свободном падении тела вместе с опорой, например в кабине космического корабля на орбите. Сила тяжести при этом не исчезает: она сообщает телу и опоре одинаковое ускорение. Противоположное состояние — перегрузка, когда из-за ускорения опоры вес становится больше обычного.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вес тела — сила, с которой тело действует на опору или подвес. Обычно её обозначают P и измеряют в ньютонах. Вес отличается от силы тяжести: сила тяжести действует на тело, а вес тело передаёт опоре или подвесу.
Невесомость — состояние, при котором тело не действует на опору или подвес, поэтому его вес равен нулю: P = 0. Это не значит, что тело перестало притягиваться Землёй. Понятие нужно, чтобы описывать ситуации, когда исчезает давление тела на окружающие предметы.
Свободное падение — движение тела только под действием силы тяжести, без других сил, препятствующих этому движению. Вблизи поверхности Земли тело при этом получает ускорение g ≈ 9,8 м/с². Такое движение является главным условием возникновения невесомости.
Перегрузка — состояние, при котором вес тела больше обычного значения из-за ускоренного движения опоры или подвеса. Например, при разгоне лифта вверх пол давит на человека сильнее. Перегрузку характеризуют увеличением реакции опоры и веса.
При свободном падении опора и находящееся на ней тело движутся под действием силы тяжести. Если начальные условия одинаковы, оба получают одно и то же ускорение g. Расстояние между ними не меняется, но опора перестаёт поддерживать тело, поэтому тело больше не давит на неё.
Рассмотрим человека на полу лифта и выберем направление вверх положительным. На человека действуют сила реакции опоры N вверх и сила тяжести mg вниз, поэтому N − mg = ma. Если лифт и человек ускоряются вниз с a = g, получаем N − mg = −mg, откуда N = 0, а значит, вес человека тоже равен нулю.
Невесомость не означает исчезновения силы тяжести. Именно сила тяжести сообщает телу ускорение и заставляет его падать. Нулевым становится не mg, а сила давления тела на опору, равная по модулю реакции опоры при контакте.
На орбите корабль движется по криволинейной траектории и всё время падает к Земле. Благодаря большой горизонтальной скорости поверхность планеты как бы «уходит» из-под корабля, поэтому падение не заканчивается столкновением. Сила тяжести остаётся значительной и играет роль силы, изменяющей направление скорости, но корабль и космонавт падают вместе.
Вес зависит от ускорения опоры или подвеса. При ускорении вверх опора сильнее давит на тело, поэтому возникает перегрузка; при ускорении вниз давление ослабевает. Если ускорение вниз достигнет g, реакция опоры станет нулевой, а при ещё большем ускорении контакт в обычной модели невозможен.
| Условия движения | Ускорение относительно Земли | Сила реакции опоры | Вес тела | Состояние тела |
|---|---|---|---|---|
| Покой или равномерное прямолинейное движение | a = 0 | N = mg | P = mg | Обычный вес |
| Ускорение направлено вверх | a ↑ | N = m(g + a) | P = m(g + a) | Перегрузка |
| Ускорение направлено вниз, но меньше g | a ↓, a < g | N = m(g − a) | P = m(g − a) | Уменьшение веса |
| Ускорение направлено вниз с величиной g | a = g ↓ | N = 0 | P = 0 | Невесомость |
| Свободное падение | a = g ↓ | N = 0 | P = 0 | Невесомость |
Сначала определите направление ускорения, затем выберите соответствующую формулу для реакции опоры. Вес тела на опоре равен реакции опоры по модулю, поэтому в таблице эти величины имеют одинаковые значения.
При покое и равномерном движении ускорение равно нулю, и вес совпадает с силой тяжести. При ускоренном движении сравните ускорение с g: это сразу показывает, будет ли перегрузка, уменьшение веса или невесомость.
Условие: человек массой 60 кг стоит на неподвижном полу. Нужно определить его вес. Пол неподвижен, поэтому ускорение человека равно нулю.
Ответ: вес человека равен 588 Н, или примерно 600 Н при округлённом значении g = 10 м/с².
Условие: лифт с человеком массой 70 кг движется с ускорением 2 м/с² вверх. Требуется найти вес человека. Направление ускорения показывает, что пол действует на человека сильнее обычного.
Ответ: вес человека равен 826 Н, примерно 830 Н. Он больше обычного веса 686 Н, поэтому человек испытывает перегрузку.
Условие: космонавт находится в кабине корабля, движущегося по орбите вокруг Земли. Нужно объяснить, почему он невесом, хотя сила тяжести действует. Корабль не покоится, а движется с большой скоростью по искривлённой траектории.
Ответ: космонавт испытывает невесомость из-за совместного свободного падения с кораблём, а не из-за исчезновения земного притяжения.
Считать, что при невесомости сила тяжести равна нулю. Так путают причину движения с результатом для опоры. Проверьте себя: при невесомости должно быть N = P = 0, но сила mg продолжает действовать.
Отождествлять вес с силой тяжести всегда. При покое это допустимо, поэтому ошибка кажется незаметной. В ускоренном лифте сравните формулы: mg не меняется, а P = m(g ± a).
Считать невесомостью любое отсутствие опоры. Само по себе отсутствие пола ещё не доказывает свободное падение. Нужно установить, что тело и опора движутся с одинаковым ускорением, тогда их относительное давление равно нулю.
Неверно выбирать знак ускорения в формуле веса. Знак зависит от выбранной оси и направления ускорения, а не от того, движется ли лифт вверх или вниз. Сначала нарисуйте силы и определите, куда направлено ускорение, затем применяйте P = m(g + a) или P = m(g − a).
До изучения невесомости нужно знать силу тяжести, массу, второй закон Ньютона, реакцию опоры и ускорение свободного падения. Эти понятия позволяют записать уравнение движения и найти вес через реакцию опоры.
Тема пригодится при изучении искусственных спутников, космонавтики и орбитального движения. Она также объясняет перегрузки при старте ракеты, посадке и разгоне лифта.
Невесомость связана с относительностью механического движения: состояние тела зависит от движения опоры относительно него. В основе явления лежит свободное падение, при котором контактное взаимодействие с опорой исчезает.
Почему космонавты испытывают невесомость, если Земля продолжает притягивать их?
Космонавт и космический корабль непрерывно свободно падают к Земле под действием силы тяжести. Они движутся с одинаковым ускорением, поэтому космонавт не давит на пол кабины, а его вес равен нулю.
Чем вес отличается от силы тяжести?
Сила тяжести действует на тело со стороны Земли и направлена к её центру. Вес — это сила, с которой само тело действует на опору или подвес; при ускоренном движении эти силы могут иметь разные значения.
Можно ли наблюдать невесомость на Земле?
Да, но обычно только кратковременно: например, во время свободного падения кабины или специального самолёта, летящего по траектории свободного падения. В быту такие условия возникают при падении тела вместе с его опорой.
Почему в лифте вес человека иногда увеличивается или уменьшается?
При ускорении лифта вверх пол сильнее давит на человека, поэтому его вес увеличивается: P = m(g + a). При ускорении вниз давление уменьшается, и вес становится P = m(g − a), если a < g.
Что произойдёт с весом тела при свободном падении?
Вес тела станет равен нулю, потому что тело и его опора падают с одинаковым ускорением g. Сила тяжести при этом продолжает действовать и вызывает падение.
2. Невесомость
