6. Невесомость

Определения и обозначения

Вес тела — сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес; её обозначают P. Вес показывает не то, как Земля притягивает тело, а как тело давит на опору или натягивает подвес. Поэтому он может изменяться при ускоренном движении.

Невесомость — состояние, при котором тело не действует на опору или подвес, поэтому его вес равен нулю: P = 0. Тело при этом не обязательно находится далеко от Земли. Невесомость чаще всего возникает во время свободного падения.

Реакция опоры — сила, с которой опора действует на тело; её обозначают N. В обычных условиях эта сила препятствует падению тела и уравновешивает силу тяжести. При исчезновении контакта или при свободном падении реакция опоры становится равной нулю.

Перегрузка — состояние, при котором вес тела во время ускоренного движения больше, чем в покое. Например, при ускорении лифта вверх пол сильнее давит на пассажира. Перегрузка особенно заметна при старте ракеты и резком торможении.

Как это устроено

В обычных условиях сила тяжести стремится ускорить тело вниз. Неподвижная опора не позволяет телу провалиться сквозь неё и действует на него вверх с реакцией N. По третьему закону Ньютона тело с такой же по модулю силой давит на опору, поэтому при покое его вес равен mg.

При свободном падении тело и опора движутся вниз с одинаковым ускорением g. Между ними не требуется сила давления, чтобы сохранять одинаковое движение: каждый объект ускоряется самой силой тяжести. Поэтому тело перестаёт давить на опору, реакция N исчезает, а вес становится равным нулю.

Невесомость не означает исчезновения силы тяжести. Земля продолжает притягивать тело и сообщает ему ускорение вниз. Исчезает другая сила — давление тела на опору или натяжение подвеса, то есть именно вес.

Связь веса с ускорением можно получить из второго закона Ньютона. При ускорении вверх опора должна не только поддерживать тело, но и разгонять его, поэтому P = m(g + a). При ускорении вниз вес уменьшается: P = m(g − a), а при a = g он обращается в ноль.

У космонавтов на орбите возникает длительная невесомость, потому что корабль и экипаж непрерывно падают вокруг Земли. Перегрузка появляется, когда опора действует сильнее обычного: например, при старте ракеты, торможении или резком повороте транспорта. Её величина зависит от ускорения, а не просто от скорости движения.

Вес тела при различных видах движения

В таблице сначала определите направление ускорения, а затем выберите формулу для веса. Сила тяжести у поверхности Земли во всех строках остаётся равной mg. Если ускорение направлено вниз, нужно сравнить его с g: при свободном падении вес равен нулю.

Разбор задач

Задача 1

Лифт неподвижен, масса пассажира 60 кг. Нужно определить его вес при g = 10 Н/кг. Поскольку лифт не ускоряется, пассажир находится в равновесии, и вес равен силе тяжести.

1. Записываем формулу: P = mg.
2. Подставляем данные: P = 60 кг · 10 Н/кг.
3. Вычисляем: P = 600 Н.

Ответ: вес пассажира равен 600 Н.

Задача 2

Лифт с пассажиром массой 60 кг движется с ускорением 2 м/с² вверх. При таком движении пол должен не только удерживать пассажира, но и сообщать ему ускорение вверх. Поэтому вес увеличивается по формуле P = m(g + a).

1. Определяем направление ускорения: оно направлено вверх, значит, используем знак «плюс».
2. Подставляем значения: P = 60 · (10 + 2) Н.
3. Получаем: P = 60 · 12 = 720 Н.

Ответ: вес пассажира равен 720 Н. Он больше обычного веса на 120 Н, поэтому пассажир испытывает перегрузку.

Задача 3

Кабина лифта свободно падает вместе с пассажиром массой 60 кг. Свободное падение означает, что ускорение кабины и пассажира одинаково и равно g, поэтому пол не давит на человека.

1. Устанавливаем состояние движения: это невесомость.
2. При невесомости вес равен нулю: P = 0.
3. Реакция опоры также отсутствует: N = 0, хотя сила тяжести равна mg = 600 Н.

Ответ: вес пассажира равен 0 Н, сила реакции опоры равна 0 Н, а сила тяжести сохраняется и равна 600 Н.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что при невесомости исчезает сила тяжести. Так думают, потому что человек не чувствует давления опоры, но притяжение Земли продолжает действовать. Проверка: отдельно запишите F_тяж = mg и P = 0.

Ошибка 2. Отождествлять вес с силой тяжести при любом движении. Это верно только при отсутствии вертикального ускорения относительно опоры. Проверка: если в условии есть ускорение, сначала определите его направление и выберите формулу для P.

Ошибка 3. Объяснять невесомость космонавтов отсутствием земного притяжения. На орбите притяжение достаточно велико: корабль и экипаж находятся в непрерывном свободном падении. Проверка: при наличии силы тяжести должно быть ускорение к Земле.

Ошибка 4. Выбирать знак ускорения по направлению движения лифта. Лифт может двигаться вверх, но ускоряться вниз, если он тормозит. Проверка: ориентируйтесь на изменение скорости, а не только на направление перемещения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны сила тяжести, второй закон Ньютона, ускорение, а также силы реакции опоры и натяжения. Эти знания помогают составлять уравнения движения и находить вес при разных режимах.

Невесомость связана с движением искусственных спутников и космонавтикой: орбитальный полёт является непрерывным свободным падением. Перегрузки используют при расчётах безопасности транспорта, ракет и аттракционов.

Понятие веса продолжает изучение равновесия и подготавливает к анализу движения в неинерциальных системах отсчёта. В таких системах сила, измеряемая опорой, может отличаться от силы тяжести.

Что запомнить

• Вес — это сила действия тела на опору или подвес, а не сама сила тяжести.
• В обычных условиях вес тела по модулю равен mg.
• При свободном падении тело находится в состоянии невесомости.
• В невесомости сила тяжести не исчезает.
• При ускорении вверх вес увеличивается.
• При ускорении вниз вес уменьшается.
• Перегрузка означает увеличение веса по сравнению с весом тела в покое.