Вес и невесомость

Силу тяжести ,с которой тела притягиваются к Земле, нужно

отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в

повседневной жизни.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его

притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом

предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или

подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли

горизонтальном столе (рис. 1.11.1). Систему отсчета, связанную с

Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила

тяжести

направленная вертикально вниз, и сила упругости

с которой опора действует на тело. Силу называют силой

нормального давления или силой реакции опоры. Силы,

действующие на тело, уравновешивают друг друга:

В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на пору с

некоторой силой

равной по модулю силе реакции опоры и направленной в

противоположную сторону: По определению, сила P и называется

весом тела. Из приведенных выше соотношений видно, что

т. е. вес тела (P) равен силе тяжести . Но эти силы приложены к

Рисунок 1.11.1.

Вес тела и сила тяжести.

– сила тяжести,

– сила реакции опоры,

P – сила давления тела на опору (вес тела).

Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции

опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению

пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения

тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также

рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на

равноплечем рычаге.Приводя в равновесие рычажные весы путем

уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно

достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь,

независимо от значения ускорения свободного падения в данной

точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на

высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от

своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных

весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для

определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).

Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или

подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым

ускорением относительно Земли. Система отсчета, связанная с

лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют

сила тяжести и сила реакции опоры , но теперь эти силы не

уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона

Сила P, действующая на опору со стороны тела, которую и

называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна

Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть

Пусть вектор ускорения направлен по вертикали (вниз или вверх). Если

координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное

уравнение для P можно переписать в скалярной форме:

P = m(g – a).
(*)
В этой формуле величины P, g и a следует рассматривать как

проекции векторов P, g и на ось OY. Так как эта ось

направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a

могут быть как положительными, так и отрицательными.

Пусть, для определенности, вектор ускорения направлен

вертикально вниз, тогда a > 0 (рис. 1.11.2).

Рисунок 1.11.2.

Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения направлен

вертикально вниз. 1) a < g, P < mg; 2) a = g, P = 0 (невесомость); 3) a > g, P

< 0.

Из формулы (*) видно, что если a < g, то вес тела P в ускоренно

движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g, то вес тела

изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к

потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g, то P =

0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние

называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине

космического корабля при его движении по орбите при выключенными

реактивных двигателями.

Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис. 1.11.3), то a

< 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу

тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением

опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки

испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на

участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы.

Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур

высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.

Рисунок 1.11.3.

Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения направлен

вертикально вверх. Вес тела приблизительно в два раза превышает по

модулю силу тяжести (двукратная перегрузка).