Сила тяжести, вес тела, явление невесомости

Наша сегодняшняя встреча посвящена удивительному свойству материи — гравитации (тяготению). Притяжение Земли настолько привычно и естественно, что мы его не замечаем. Но что мы знаем о земном тяготении?

Разберемся, как возникает, от чего зависит и как проявляется земная гравитация.

Сила тяжести

Взаимное притяжение всех тел во Вселенной было открыто Исааком Ньютоном. Это притяжение и получило название гравитационного взаимодействия.

Им же была установлена зависимость этих сил от массы взаимодействующих тел и расстояния между ними.

Для нас — землян особенно важна сила тяготения нашей планеты. Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, принято называть силой тяжести.

Она убывает по мере удаления от земной поверхности и всегда направлена к центру Земли. То есть земной шар притягивает внешние тела так, как материальная точка. Наша планета слегка сплюснута у полюсов (около 27 км), и тяготение в этих точках, немного превышает притяжение на экваторе или в других широтах. Соответственно сила тяжести на вершине горы немного меньше чем у ее подножья.

Для обозначения этой силы используется символ F_тяж.

Вес тела, невесомость

Итак, сила тяжести это результат взаимодействия тел с Землей. Но в повседневной жизни мы часто используем понятие веса тела. Выясним, что это за величина.

Для этого мысленно перенесемся в неподвижный лифт. Вес его пассажиров P будет равен силе тяжести (P = F_тяж). В поднимающемся с ускорением лифте, сила тяжести неизменна, а вот вес начнет увеличиваться. Это ощущается как увеличение давления со стороны опоры — пола. Лифт опускается, постепенно замедляя скорость. Давление опоры станет меньше, т.е. при неизменной силе тяжести вес уменьшается.

… Следы, оставленные человеком, животными или транспортом на влажном песке или снегу, как раз и подтверждают действие этих тел на опору.

Нужно помнить, что сила тяжести приложена к центру предмета, а вес — к опоре или подвесу.

Что произойдет с весом тела, если опора или подвес исчезнет? Тело начнет свободное падение. А поскольку исчезло сопротивление его дальнейшему движению, вес тела станет равным нулю. Для тел, находящихся в свободном падении, наступает состояние невесомости.

Невесом летящий парашютист до раскрытия парашюта, посетители аттракциона «американские горки» после прохождения наивысшей точки, и, вообще, каждый прыжок вверх это несколько секунд невесомости перед приземлением.

Но почему испытывают невесомость космонавты на орбите после выключения двигателей на космическом корабле? Взаимодействуя с Землей, эти космические объекты стремятся к свободному падению, но их горизонтальная скорость столь велика (около 8 км/c), что упасть они не могут и летят по своей орбите, описывая виток за витком вокруг Земли.

Влияние Архимедовой силы на вес тела

До сих пор мы рассматривали проявления силы тяжести, считая, что взаимодействие осуществляется в безвоздушной среде. А как наличие газа или жидкости повлияет на вес тела?

Ответ на этот вопрос дал один из достойнейших сыновей древней Греции — Архимед еще 3 тысячи лет до нашей эры.

Вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме на величину выталкивающей силы.

Если же предмет герметично прижат ко дну Архимедова сила не возникает.

Масса

С понятием веса мы уже знакомы. Поговорим о массе:

• Изначально под массой понимали количество вещества, заключённое в теле.
• Затем была установлена её связь с инертностью. Чем больше масса, тем более инертно тело.
• Она определяет и гравитационные особенности тела. Более массивные тела обладают большей силой тяготения.
• Масса данного тела будет одинаковой как на Земле, так и на Луне или на любой другой планете. Она не зависит и от географической широты.
• Для её обозначения используют букву m, измеряют в кг.

Вес же, как любая сила, измеряется в ньютонах (Н). Существует формула, связывающая массу и вес тела:

здесь g — ускорение свободного падения.

Свободное падение

Падение тел изучал итальянский учёный Галилей. Он наблюдал за движением тел, сбрасывая их с очень высокой наклонной башни, расположенной в городе Пизе. По имени  города эта башня высотой 55 м и получила  название Пизанской.

Галилей одновременно сбрасывал пушечное ядро весом 80 кг и маленький металлический шарик. Касались земли они почти в одно и то же время. Ученый сделал вывод,  что единственной причиной, неодновременного приземления шаров является сопротивление  воздуха.

В земных условиях мы можем наблюдать это явление лишь приближенно.  Потому, что  атмосферный воздух является помехой свободно падающему телу.

При этом движении скорость падающих тел каждую секунду увеличивается на 9,81 м/с.

То есть ускорение свободного падения g = 9,81 м/ и лишь слегка изменяется при изменении географической широты места. В расчетах часто принимают g = 10 м/c².

На Луне, где сила притяжения меньше в 6 раз, g = 1,6 м/c².

Сейчас идет очень активное изучение «красной планеты» — Марса. Его масса почти в 10 раз меньше чем у нашей родной планеты. Казалось бы, что и вес тел должен уменьшаться тоже в 10 раз. Однако, радиус Марса почти в 2 раза уступает земному радиусу, что приводит к увеличению силы тяжести почти в 4 раза. В конечном счете, сила тяжести, как и вес тела, составят лишь 1/3 часть земной силы тяжести.

Точно так можно узнать силу тяжести тела на любой планете. Скажем, космонавт, вес которого на Земле 80 кг, на планете – гиганте Юпитер будет весить 161,2 кг.

Момент силы тяжести

У каждого тела есть центр тяжести. Если за него мысленно подвесить тело, оно сохранит первоначальное положение. Например, центр тяжести шара, находится в его геометрическом центре. Чем ниже положение центра тяжести, тем устойчивее положение тела. Поэтому лыжник, мчащийся с горы, слегка приседает. Тем самым он смещает свой центр тяжести книзу,  увеличивая этим свою устойчивость.

«Знакома» с законами физики и всем известная игрушка— неваляшка. Её центр тяжести находится внизу, поскольку там закреплен грузик. И даже незначительное отклонение этой игрушки в сторону приподнимает центр тяжести. Сила тяжести создает вращающий момент, восстанавливающий вертикальное положение тела.

Момент силы тяжести – это произведение силы тяжести на плечо этой силы:

где
M — момент силы тяжести;
L — плечо этой силы, т е. перпендикуляр между линией приложения силы и центром вращения.
Единицей измерения вращающего момента является 1Нм.

Размещая грузы в автомобилях или на морских судах, всегда располагают их как можно ниже. Это обеспечивает устойчивость, предохраняет грузовой транспорт от опрокидывания.

Работа силы тяжести

Совершает ли работу свободно падающее тело? Например, метеорит, прилетевший к нам из космических глубин, яблоко, упавшее с ветки или ниспадающий водопад.

При любом вертикальном изменении положения тела, его центр тяжести либо опускается, либо поднимается. Сила тяжести при этом совершает работу

где mg = F_тяж.

Если тело опускается — работа положительна, поднимается — отрицательна. На замкнутом пути, когда тело брошено вертикально вверх, а затем, свободно падая, возвращается в исходную точку, работа равна 0.

Заключение

Сила тяжести сыграла огромную роль в приспособлении человека и животных для жизни на суше. Благодаря силе гравитации мы ходим по земле, а не улетаем в космос. Она удерживает атмосферу планет и воду в мировом океане. Ей мы обязаны движением планет и их спутников в нашей солнечной системе.

Наше знакомство с земной гравитацией закончено. Много веков люди ищут способы освобождения от земных пут. Пока секреты антигравитации не раскрыты.

Но человечеству удалось преодолеть земную гравитацию и достичь фантастических успехов в освоении космоса.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

---

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

---