Невесомость: что это такое
Невесомость — это состояние, при котором тело не давит на опору или подвес.
Само слово «невесомость» как бы подсказывает нам, что веса здесь быть не должно. При этом непонятно, что с ним тогда происходит. Давайте разбираться.
Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту
Пятерка по физике у тебя в кармане!
Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!
Вес тела
Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Измеряется вес, как и любая другая сила, в Ньютонах.
«Но погодите! Вес же измеряют в килограммах — я вот вешу 50»
Это не совсем верно. В быту мы часто подменяем понятие «масса» понятием «вес» и говорим: вес чемодана — десять килограммам. В физике это два совершенно разных понятия, которые при этом взаимосвязаны.
Если у вас неподалеку есть весы — приглашаем в эксперимент! Один нюанс: наша затея сработает именно с механическими весами, но не с электронными. Поехали!
Шаг 1. Если встать на весы ровно и не двигаться — ваш вес будет высчитываться по формуле:
P = mg
P — вес тела [Н]
m — масса [кг]
g — ускорение свободного падения [м/с2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Здесь может возникнуть два возражения:
-
Это же сила тяжести, а не вес. Формула такая же!
-
На весах масса отображается в килограммах. И если я свою массу умножу на ускорение свободного падения, то явно получу число почти в 10 раз больше, чем показывают весы.
Точка приложения силы. Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.
Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.
Весы измеряют силу. Весы работают таким образом, что измеряют вес тела — силу, с которой мы на них действуем, а показывают — массу. Можно сделать вывод, что весы — это динамометр (прибор, измеряющий силу).
Продолжаем эксперимент.
Шаг 2. Теперь пошалим и резко встанем на носочки! Стрелка резко отклонилась влево, а потом вернулась на место. Вы придали себе ускорение, направленное вверх — в то время, как ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли (вниз).
Теперь вес тела вычисляем по формуле:
P = m (g − a)
P — вес тела [Н]
m — масса [кг]
g — ускорение свободного падения [м/с2]
a — ваше ускорение [м/с2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Шаг 3. Последняя часть эксперимента — резко опуститься на пятки. Теперь вы сильнее давите на весы, потому что придали ускорение, направленное вниз. Стрелка весов отклонится вправо и вернется на место, когда вы придете в состояние покоя.
Формула веса примет вид:
P = m (g + a)
P — вес тела [Н]
m — масса [кг]
g — ускорение свободного падения [м/с2]
a — ваше ускорение [м/с2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Кстати, если ровно стоять на весах, но взвешиваться в лифте — все будет работать наоборот. Если лифт едет вверх, то он как будто давит весами на человека, стоящего на них, а это как раз ситуация с увеличением веса. А если вниз — весы как будто бы от вас «убегают», чтобы показать меньшее значение.
Этот случай мы можем описать через 2 закон Ньютона. Возьмем лифт, который едет вниз. Обозначим силы на рисунке.
N – сила реакции опоры [Н];
mg – сила тяжести [Н];
a – ускорение, с которым движется лифт [м/с2].
N + mg = ma
При проецировании на ось y, направленную вниз, мы получаем:
−N + mg = ma
А теперь нам понадобится третий закон Ньютона — по нему сила реакции опоры равна весу тела:
P = N
−P + mg = ma
P = m (g − a)
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Снова невесомость
Ну что, с весом разобрались. А теперь давайте сделаем так, чтобы его не стало и получилась та самая невесомость.
Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:
Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение и получается 0:
P = m (g − a) = m (9,8 − 9,8) = 0
Вот мы и в невесомости!
Так это что же, космонавты испытывают невесомость, потому что падают?
Если они летят вокруг Земли, то да. Как писал Дуглас Адамс в книге «Автоспом по галактике»: «Летать просто. Нужно просто промахнуться мимо Земли».
Когда космический корабль обращается вокруг Земли, он просто пытается на нее упасть, но промахивается. Такой процесс происходит, когда корабль движется с первой космической скоростью, равной 7.9 км/с. Это та скорость, с которой корабль становится искусственным спутником Земли.
Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, с которой должно двигаться тело, чтобы оно могло без затрат дополнительной работы преодолеть влияние поля тяготения Земли, т. е. удалиться на бесконечно большое расстояние от Земли. А тело, которое двигается с третьей космической скоростью, и вовсе вылетит за пределы Солнечной системы. Такие дела. 🙂
Загрузить PDF
Загрузить PDF
Вес — сила, с которой тело действует на опору (или другой вид крепления), возникающая в поле силы тяжести. Масса связана с энергией и импульсом тела и эквивалентна энергии его покоя. Масса не зависит от силы тяжести (точнее от ускорения свободного падения). Поэтому тело, на Земле имеющее массу 20 кг, на Луне будет иметь массу 20 кг, но совсем другой вес (потому что ускорение свободного падения на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле).
-
1
Для вычисления веса используйте формулу
. Вес — это сила, с которой тело действует на опору, и его можно рассчитать, зная массу тела. В физике используется формула .[1]
-
2
Определите массу тела. Так как ускорение свободного падения — это стандартная величина, то необходимо знать массу тела, чтобы найти его вес. Масса должна быть выражена в килограммах.
-
3
Узнайте величину ускорения свободного падения. На Земле, как уже было сказано выше, g = 9,8 м/с2. В других местах Вселенной эта величина меняется.[3]
- Ускорение свободного падения на поверхности Луны приблизительно равно 1,622 м/с2 (примерно в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли). Поэтому ваш вес на Луне будет в 6 раз меньше вашего земного веса.[4]
- Ускорение свободного падения на Солнце приблизительно равно 274,0 м/с2 (примерно в 28 раз больше, чем на Земле). Поэтому ваш вес на Солнце будет в 28 раз больше вашего земного веса (если, конечно, вы выживете на Солнце, что еще не факт!).[5]
- Ускорение свободного падения на поверхности Луны приблизительно равно 1,622 м/с2 (примерно в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли). Поэтому ваш вес на Луне будет в 6 раз меньше вашего земного веса.[4]
-
4
Подставьте значения в формулу
. Теперь, когда вы знаете массу и ускорение свободного падения , подставьте их значения в формулу . Так вы найдете вес тела (измеряется в ньютонах, Н).
Реклама
-
1
Задача № 1. Найдите вес тела массой 100 кг на поверхности Земли.
-
2
Задача № 2. Найдите вес тела массой 40 кг на поверхности Луны.
-
3
Задача № 3. Найдите массу тела, которое на поверхности Земли весит 549 Н.
Реклама
-
1
Не путайте массу и вес. Самая распространенная ошибка — перепутать вес и массу (что немудрено, ведь в повседневной жизни мы обычно называем массу весом). Но в физике все не так. Запомните, масса — это постоянное свойство объекта, то, сколько в нем вещества (килограммов), где бы он ни находился. Вес — это сила, с которой объект всеми своими килограммами давит на поверхность, и эта сила на разных небесных телах будет различной.
- Масса измеряется в килограммах или граммах. Запомните, что в этих словах, как и в слове «масса», есть буква «м».
-
2
Используйте правильные единицы измерения. В задачах по физике вес или силу измеряют в ньютонах (Н), ускорение свободного падения — в метрах на секунду в квадрате (м/с2), а массу — в килограммах (кг). Если для какой-либо из этих величин вы возьмете не ту единицу измерения, воспользоваться формулой будет нельзя. Если масса в условиях задачи указана в граммах или тоннах, не забудьте перевести ее в килограммы.
Реклама
Приложение: вес, выраженный в кгс
- Ньютон — это единица измерения силы в международной системе единиц СИ. Нередко сила выражается в килограмм-силах, или кгс (в системе единиц МКГСС). Эта единица очень удобна для сравнения весов на Земле и в космосе.
- 1 кгс = 9,8166 Н.
- Разделите вес, выраженный в ньютонах, на 9,80665.
- Вес космонавта, который «весит» 101 кг (то есть его масса равна 101 кг), составляет 101,3 кгс на Северном полюсе и 16,5 кгс на Луне.
- Международная система единиц СИ — система единиц физических величин, которая является наиболее широко используемой системой единиц в мире.
Советы
- Самая трудная задача — уяснить разницу между весом и массой, так как в повседневной жизни слова «вес» и «масса» используются как синонимы. Вес — это сила, измеряемая в ньютонах или килограмм-силах, а не в килограммах. Если вы обсуждаете ваш «вес» с врачом, то вы обсуждаете вашу массу.
- Ускорение свободного падения также может быть выражено в Н/кг. 1 Н/кг = 1 м/с2.
- Плечевые весы измеряют массу (в кг), в то время как весы, работа которых основана на сжатии или расширении пружины, измеряют вес (в кгс).
- Вес космонавта, который «весит» 101 кг (то есть его масса равна 101 кг), составляет 101,3 кгс на Северном полюсе и 16,5 кгс на Луне. На нейтронной звезде он будет весить еще больше, но он, вероятно, этого не заметит.
- Единица измерения «Ньютон» применяется намного чаще (чем удобная «кгс»), так как можно найти множество других величин, если сила измеряется в ньютонах.
Реклама
Предупреждения
- Выражение «атомный вес» не имеет ничего общего с весом атома, это масса. В современной науке оно заменено на выражение «атомная масса».
Реклама
Об этой статье
Эту страницу просматривали 113 598 раз.
Была ли эта статья полезной?
Из-за притяжения Земли все тела имеют вес.
Сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, называют весом.
Рис. (1). Тело на опоре, тело на подвесе
Вес тела обозначают (P) и измеряют в ньютонах ((H)).
Вес неподвижного тела равен
P=mg
.
Формула определения веса неподвижного тела точно такая же, как и формула силы тяжести (см. предыдущую тему «Сила. Сила тяжести»). Однако вес тела и сила тяжести — не одно и то же.
Рис. (2). Сила тяжести и вес тела
Например, сила тяжести свободно падающего трёхкилограммового кирпича приблизительно составляет (30) (H), ((F = mg)), а его вес (P) в момент падения равен (0) (H) (так как кирпич находится в состоянии невесомости).
Если помещённое на опору или подвешенное тело неподвижно по отношению к Земле или находится в равномерном движении вверх или вниз, тогда вес тела не меняется.
Вес меняется, когда тело перемещается вверх или вниз с ускорением.
Во время поездки в лифте, если мы двигаемся с ускорением вверх, наш вес увеличивается, хотя сила тяжести остаётся неизменной.
Состояние невесомости — это состояние, когда тело не давит на опору и не растягивает подвес. Такое происходит, когда тело свободно падает под воздействием только силы гравитации.
Почему в космическом корабле есть состояние невесомости?
Потому что космический корабль, обращаясь вокруг Земли, находится в свободном падении (он всё время как бы падает на Землю, но пролетает мимо). Это происходит, когда космический корабль достигает 1-й космической скорости — 7,9 км/с.
Если скорость космического корабля была бы меньше, он упал бы на Землю, а если корабль достиг бы 2-й космической скорости — 11,2 км/с, он стал бы искусственным спутником Солнца.
Если скорость космического корабля достигнет 3-й космической скорости — 16,7 км/с, тогда корабль направится из Солнечной системы к другим звёздам.
К сожалению, до ближайшей звёздной системы Альфа Центавра нужно лететь (18000) лет, так как она находится на расстоянии (4) световых лет.
Интересно, что для того, чтобы достичь Луны, ракета должна развить скорость, равную (0,992) от второй космической скорости.
Источники:
Рис. 1. Тело на опоре, тело на подвесе. © ЯКласс.
Рис. 2. Сила тяжести и вес тела. © ЯКласс.
Вес тела — это сила, с которой тело, вследствие притяжения к Земле, действует на опору или подвес.
P=N = mg
В отличие от силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к телу, вес – это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу (т.е. к связи).
Вес тела в различных условиях движения.
1) опора покоится или движется равномерно
N=mg – сила реакции опоры
P=N значит P=mg Вес тела равен действующей на тело силе тяжести.
2) опора движется с ускорением a вверх.
N–mg=ma – второй закон Ньютона
N=mg+ma
P=N=m·(g+a)
P>mg Вес тела, движущегося с ускорением направленным вверх больше силы тяжести.
Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называется перегрузкой.
3) опора движется с ускорением а вниз.
mg-N=ma – второй закон Ньютона
N=mg-ma
P=N=m·(g-a)
P<mg Вес тела, движущегося с ускорением вниз уменьшается.
Падение тел в вакууме без начальной скорости называется свободным падением. При свободном падении a=g из P=m·(g-a) следует, что P=0, т.е. вес отсутствует.
Если тела движутся только под действием силы тяжести, т.е. свободно падают, то они находятся в состоянии невесомости – состояние, при котором вес тела отсутствует (НО! масса у тела есть всегда).
Обозначения:
N – сила реакции опоры
P – вес тела
m – масса тела
g – ускорение свободного падения
a – ускорение, с которым движется тело
Вес тела — сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес.
Вес тела имеет электромагнитную природу (не путать с силой тяжести – она возникает между двумя телами и имеет гравитационную природу!). Обозначается P. Измеряется динамометром. Единица измерения — Н (Ньютон).
Вес имеет направление, противоположное силе реакции опоры или силе натяжения нити. Точкой приложения веса является точка опоры или подвеса: P↑↓N или P↑↓T.
Согласно III закону Ньютона модуль веса тела определяется одной из следующих формул:
P = T; P = N; P = Fупр.
Если тело и опора или подвес неподвижны, то модули силы реакции опоры, силы натяжения подвеса, а также силы упругости равны модулю силы тяжести. Поэтому в неподвижной системе модуль веса неподвижного тела тоже равен модулю силы тяжести:
P0 = Fтяж = mg
Если тело находится в состоянии невесомости, его вес равен нулю: P = 0. Это значит, что это тело не оказывает никакого действия ни на подвес, ни на опору.
Пример №1. Гиря массой 1 пуд стоит на полу. Определить вес гири.
Так как гиря покоится, ее вес будет равен модулю силы тяжести. 1 пуд = 16,38 кг. Следовательно:
P = mg = 16,38∙10 = 163,8 (Н)
Перегрузка
Перегрузка — отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к стандартному ускорению свободного падения на поверхности.
Перегрузка определяется отношением:
Перегрузка возникает, когда система, в которой находится тело, движется с ускорением.
Вес тела в движущейся равноускоренно системе
Вес тела в движущейся системе может быть больше или меньше веса того же тела в системе, которая находится в состоянии покоя:
- Если система движется равноускоренно в направлении ускорения свободного падения, вес тела меньше веса тела в неподвижной системе: при a↑↑g — P < P0.
- Если система движется равноускоренно в направлении, противоположном ускорению свободного падения, вес тела больше веса тела в неподвижной системе: при a↑↓g — P > P0.
- Если система движется с равномерной скоростью (ускорение равно нулю) в любом направлении по отношению к ускорению свободного падения, вес тела равен весу тела в неподвижной системе: при a = 0 — P = P0.
Применение законов Ньютона для определения веса тела
Опора или подвес неподвижны |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
N + mg = ma или T + mg = ma Проекция на ось ОУ: N – mg = 0 или T — mg = 0 |
Ускорение опоры направлено вверх |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
N + mg = ma Проекция на ось ОУ: N – mg = ma Вес тела: P = N = ma + mg = m(a + g) |
Ускорение опоры направлено вниз |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
N + mg = ma Проекция на ось ОУ: mg – N = ma Вес тела: P = N = mg – ma = m(g – a) |
Вершина выпуклого моста |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
N + mg = maц.с. Проекция на ось ОУ: mg – N = m aц.с. Вес тела: P = N = mg – m aц.с. = m(g – aц.с.) |
Нижняя точка вогнутого моста |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
N + mg = maц.с. Проекция на ось ОУ: N – mg = maц.с. Вес тела: P = N = maц.с. + mg = m(aц.с. + g) |
Полный оборот на подвесе |
|
 |
Второй закон Ньютона в векторной форме:
T + mg = ma Проекция на ось ОУ в точке А: T + mg = maц.с. Вес тела в точке А: P = T = maц.с. – mg = m (aц.с. – g) Проекция на ось ОУ в точке В: T – mg = maц.с. Вес тела в точке В: P = T = maц.с. + mg = m (aц.с. + g) Важно! Центростремительное ускорение всегда направлено к центру окружности. |
Пример №2. Автомобиль массой 1000 кг едет по выпуклому мосту с радиусом кривизны 40 м. Какую скорость должен иметь автомобиль в верхней точке моста, чтобы пассажиры в этой точке почувствовали невесомость?
Вес тела в верхней точке выпуклого моста равен:
P = m(g – aц.с.)
Чтобы пассажиры почувствовали состояние невесомости, вес тела должен быть равен 0:
m(g – aц.с.) = 0
Масса не может быть нулевой, поэтому:
g – aц.с. = 0
g = aц.с
Значит, пассажиры в верхней точке моста почувствуют невесомость, если центростремительное ускорение будет равно ускорению свободного падения. Центростремительное ускорение определяется формулой:
Отсюда скорость автомобиля в верхней точке моста должна быть равна:
Задание EF18133
Четыре одинаковых кирпича массой m каждый сложены в стопку (см. рисунок). Если убрать два верхних кирпича, то модуль силы N, действующей со стороны горизонтальной опоры на первый кирпич, уменьшится на…
Алгоритм решения
1.Вычислить силу, с которой оставшиеся кирпичи давят на опору.
2.Применить третий закон Ньютона.
3.Определить силу, с которой действует горизонтальная опора на первый кирпич.
Решение
Так как кирпичи покоятся, вес каждого равен:
P = mg
Вес двух кирпичей равен:
2P = 2mg
Опора действует на первый кирпич с такой же силой, с какой на него действует два кирпича, оставшихся после того, как два верхних кирпича убрали.
Следовательно:
N = 2P = 2mg
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17624
Подъёмный кран поднимает груз с постоянным ускорением. На груз со стороны каната действует сила, равная по величине 8⋅103 H. На канат со стороны груза действует сила, которая:
а) 8∙103 Н
б) меньше 8∙103 Н
в) больше 8∙103 Н
г) равна силе тяжести, действующей на груз
Алгоритм решения
1.Сформулировать третий закон Ньютона.
2.Применить закон Ньютона к канату и грузу.
3.На основании закона сделать вывод и определить силу, которая действует на канат со стороны груза.
Решение
Третий закон Ньютона формулируется так:
«Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны».
Математически он записывается так:
FA = –FB
Если на груз со стороны каната действует некоторая сила, то и груз действует на канат с этой силой, которая называется весом этого груза, или силой натяжения нити. Следовательно, груз действует на канат с силой 8∙103 Н.
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF22586
Мальчик медленно поднимает гирю, действуя на неё с силой 100 Н. Гиря действует на руку мальчика с силой:
а) больше 100 Н, направленной вниз
б) меньше 100 Н, направленной вверх
в) 100 Н, направленной вниз
г) 100 Н, направленной вверх
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Сделать чертеж, иллюстрирующий ситуацию.
3.Записать второй закон Ньютона в векторной форме.
4.Записать второй закон Ньютона в виде проекций.
5.Вычислить силу, с которой гиря действует на руку мальчика.
Решение
Запишем исходные данные: мальчик поднимает гирю вверх с силой F = 100 Н.
Сделаем рисунок. В данном случае рука мальчика выступает в роли подвеса. Так как мальчик поднимает гирю медленно, можно считать, что он поднимает ее равномерно (равнодействующая всех сил равна нулю). Выберем систему координат, направление оси которой совпадает с направлением движения руки и гири.
На руку (подвес) действуют только две силы. Поэтому второй закон Ньютона выглядит следующим образом:
P + T = 0
Запишем этот же закон в проекции на ось ОУ:
–P + T = 0
Отсюда:
P = T
Следовательно, на руку мальчика действует вес гири, который по модулю равен силе, с которой мальчик действует на эту гирю.
Внимание! Существует второй способ решения задачи через третий закон Ньютона. Согласно ему, тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю, но противоположными по направлению.
Ответ: в
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 6.5k
