Особенности силы тяжести кратко

Обновлено: 07.07.2024

Мореплаватель — имя существительное, употребляется в мужском роде. К нему может быть несколько синонимов.
1. Моряк. Старый моряк смотрел вдаль, думая о предстоящем опасном путешествии;
2. Аргонавт. На аргонавте были старые потертые штаны, а его рубашка пропиталась запахом моря и соли;
3. Мореход. Опытный мореход знал, что на этом месте погибло уже много кораблей, ведь под водой скрывались острые скалы;
4. Морской волк. Старый морской волк был рад, ведь ему предстояло отчалить в долгое плавание.

Человек не умеет летать. Нет, он, конечно, может сесть в самолет, но самостоятельно полететь не сможет. Или все-таки сможет? Разбираемся в этой статье.

О чем эта статья:

Сила: что это за величина

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или тормозит, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причиной любого действия или взаимодействия является сила.

Сила — это физическая векторная величина, которую воздействует на данное тело со стороны других тел.

Она измеряется в Ньютонах — это единица измерения названа в честь Исаака Ньютона.

У силы, в отличие от некоторых других физических величин (например массы или объема), есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.

Сила тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл Закон Всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон всемирного тяготения

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Сила тяжести

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Но разница все-таки есть, давайте разбираться.

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 или подвес. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также, важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. Вес зависит также от ускорения, с которым движутся тело или опора.

Например, в лифте вес тела зависит от того, куда и с каким ускорением движется тело. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к ней притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

Приравниваем правые части:

Делим на массу тела левую и правую части:

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Закон всемирного тяготения

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2

А теперь задачка

Определить силу тяжести, действующую на тело массой 80 кг.

Решение:

Не смотря на кажущуюся простоту, тут есть над чем подумать. Вроде бы просто нужно взять формулу F = mg, подставить числа и дело в шляпе.

Да, но есть один нюанс: в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают то же значение, что мы указывали выше: g = 9,8 м/с 2 .

В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с 2 .

Все просто: для кого решается задача, тот и главный. В экзаменах берем g = 10 , в школе при решении задач (если в условии задачи не написано что-то другое) берем g = 9,8 м/с 2 .

F = 80 · 10 = 800 Н

Ответ: 800 Н.

Учимся летать

Искусственный спутник Земли — космический летательный аппарат, который вращается вокруг Земли по геоцентрической орбите. Чтобы у него так получалось, аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости.

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 на третьей космической скорости тело вылетит за пределы Солнечной системы.

Подробнее о возможностях полетов и невесомости читайте в нашей статье про вес тела.

Решение задач по физике на взаимодействие тел связано с силой тяжести. Чтобы ее определить, следует знать условия возникновения физического явления, основные формулы и соотношения, необходимые для расчетов, а также величины, от которых она зависит. Однако перед началом обучения следует ознакомиться с понятиями и терминами.

Общие сведения

Силой тяжести (Fт) называется величина, действующая на физическое тело, которое находится на поверхности Земли или другого астрономического объекта. Последним может быть любая планета, астероид, звезда и даже черная дыра. Следует отметить, что Fт Земли отличается от других, поскольку все зависит от следующих факторов:

Гравитационного поля.
Центробежной силы инерции при вращении.

Необходимо отметить, что Fт является векторной величиной. Иными словами, она имеет направление. Единицей измерения является ньютон (Н).

Существуют также и другие классы составляющих (сила притяжения Солнца и Луны), однако они не учитываются, поскольку являются очень малыми величинами. Fт сообщает физическим телам ускорение свободного падения, которое считается величиной постоянной (константой) для отдельного астрономического тела. Она не зависит от его массы.

Гравитационное притяжение

Гравитационным притяжением, или силой Всемирного тяготения, называется величина взаимодействия двух физических тел с массами M и m, зависящая также от расстояния между ними (причем M > m). Кроме того, следует обратить внимание на константу, называемую гравитационной постоянной G.

Гравитационная составляющая играет важную роль не только для выполнения расчетов в физике, но и в сохранении жизни. С помощью этой силы строятся Солнечные системы, которые объединяются в Галактики. В Солнечной системе Земля находится на нужном расстоянии от Солнца, тем самым на первой существует жизнь. Кроме того, постоянно происходит расширение Вселенной. На основании этого явления осуществляется образование новых Галактик.

Впервые закон всемирного тяготения огласил Исаак Ньютон. У него следующая формулировка: сила взаимодействия двух тел с массами m1 и m2, совершающих работу в пространстве и находящихся на расстоянии r друг от друга, прямо пропорциональна произведению их масс на гравитационную постоянную G и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Запись в виде формулы выглядит таким образом: F = (G * m1 * m2) / r 2 . Если тело находится над поверхностью Земли, то нужно записать соотношение с учетом радиуса планеты R и его высоты над поверхностью h таким способом: F = (G * m1 * m2) / [R + h]^2.

Коэффициент G равен примерно 6,67 * 10^(-11) м 3 / (кг * с 2 ). Следует отметить, что существует определенное условие, при котором можно воспользоваться этой формулой. В этом случае следует учитывать скорость света c = 3 * 10 8 м/с, а также радиус астрономического тела R. Соотношение имеет такой вид: G * M / (R * c 2 ) 2 * r, где m — масса тела, а r — расстояние между физическим телом или материальной точкой и земной осью. Когда величина r является меньше радиуса Земли, тогда соотношение приобретает такой вид: Fc = m * w 2 * R * cos (q), где q — географическая широта, на которой расположено тело.

Ускорение свободного падения

Fт определяется по такому равенству: Fт = m * g. Для Земли величина g примерно равна 9,81 м/с 2 . По формуле видно, что g не зависит от массы тела, а обратно пропорционально зависит от квадрата расстояния искомого тела до центра Земли. Однако на поверхности планеты не всегда одинаковое ускорение. Сила тяжести увеличивается на полюсах Земного шара, а уменьшается на экваторе. Следовательно, увеличивается или уменьшается величина g. Это явление объясняется тем, что шар немного сплюснут по полюсам. Радиус экватора на 21,25 км больше, чем на последних.

Однако g зависит не только от широты. Следующим фактором является тип системы. Они бывают инерциальными и неинерциальными. Примером первой считается гелиоцентрическая система, а второй — Земля. В последнем случае она движется по орбите вокруг Солнца, а не стоит на месте.

Еще одним фактором, от которого зависит g, является плотность (p) залегания пород. Если p больше средней плотности Земли (залежи железной руды), то g становится больше. Далее следует разобраться в физическом смысле g.

Этот процесс проще понять на примере падающего тела с высоты 50 метров:

На начальном уровне его скорость эквивалентна 0. Ее следует определять по такой формуле: v = g * t
На 1 секунде (t = 1): 9,81 * 1 = 9,81 (м/с).
При t = 2: 9,81 * 2 = 19,62 (м/с).
t = 3: 9,81 * 3 = 29,43 (м/с).
t = 4: 9,81 * 4 = 39,24 (м/с).
t = 5: 9,81 * 5 = 49,05 (м/с).

Иными словами, оно равномерно разгоняется до определенной скорости с течением времени. Такое движение называется равноускоренным. Если перевести скорость на пятой секунде в км/ч, то значение будет эквивалентно величине 176,58. Однако при падении тела необходимо учитывать сопротивляемость воздуха, поскольку перо и яблоко падают не с одинаковыми показателями.

Вес тела

Весом тела (P) называется сила действия тела на опору или подвес в результате притяжения Земли. Для демонстрации этого явления необходимо рассмотреть пример взаимодействия пружины и тела, прикрепленного к ней. Под действием Fт пружина деформируется и появляется новая величина, называемая силой упругости Fупр. Необходимо отметить, что векторы Fупр и Fт направлены в противоположные стороны. Направление силы тяжести, а точнее ее вектора, осуществляется всегда вниз, а Fупр — вверх.

При использовании опоры, на которой лежит физическое тело, величина P будет равна реакции опоры, направленной вверх. Следовательно, модули N и Fт равны, поскольку тело не падает. Значит P определяется по следующей формуле: P = N = |Fт| = m * g. Однако природа возникновения P и Fт различна, поскольку первая приложена к подвесу или опоре. Она является результатом взаимодействия тела и последней. Вторая — взаимодействие тела и силы тяготения. Кроме того, она приложена только к телу. В этих ключевых аспектах и заключается основная разница между P и Fт.

Вес тела обладает некоторыми особенностями. Сила тяжести — составляющая P. Первый состоит из совокупности сил (реакция опоры или сила упругости, сила тяжести и тяги). А также P зависит от скорости движения подвеса или выталкивающей силы в жидкостях.

Понятие невесомости

Для понимания явления невесомости следует проделать опыт с весами и телом. Если держать весы, к которым привязано тело, то можно увидеть вес последнего, равного по модулю Fт = m * g. Однако при выпускании весов из рук показание начнет стремительно приближаться к нулевому значению. Это связано с тем, что P и Fт компенсируют друг друга, поскольку в одном и другом случаях величина g одинакова.

Математически такое явление можно записать следующим образом: P = m * (g — g) = 0. Запись показывает, что физическое тело не деформируется, поскольку движется в одном направлении с вектором Fт. Далее следует рассмотреть Космос. В нем также присутствует невесомость, но другого вида. Если космический корабль находится далеко от Земли, то силы притяжения на него практически не действуют, а, следовательно, значение Fт стремится к 0. Расчет выполняется по такой методике:

Записывается формула силы тяжести Fт: Fт = m * g.
Величина параметра g стремится к бесконечно малому значению, равному 0 (g -> 0), поскольку находится из уравнения: 0 = m * g. Из равенства можно вычислить g = 0 / m = 0.
Подставив g -> 0 в формулу веса тела, можно получить такое тождество: P = m * g = m * 0 = 0.

Методика позволяет при помощи математических преобразований находить любые значения физических величин. Выражение g -> 0 показывает, что g практически равно 0. Очень важную роль сила тяжести играет в природе, поскольку влияет на некоторые необходимые для жизни процессы.

Значение в природе

Ученые установили, что без Fт невозможно существование жизни и Вселенной, поскольку она необходима для термоядерного синтеза на Солнце. Если бы не было ее, то звезды в процессе своей эволюции на конечных стадиях взрывались, распыляя в космическое пространство мощные потоки радиоактивной энергии, губительной для всего живого.

Кроме того, с ее участием формируется структура внутренней оболочки Земли. Следует обратить внимание на метеориты, которые образуются в космическом пространстве в результате уничтожения звезд или других элементов Галактики. Планеты, обладающие большей силой гравитации, помогают отвести нежелательные космические тела от нашей планеты. Например, при помощи мощного телескопа можно рассмотреть поверхность Юпитера, на которой заметно множество кратеров. Подобные изменения рельефа присутствуют также и на Марсе. Несмотря на меньшие размеры, он обладает большей массой, чем Земля, а, следовательно, и гравитационное поле мощнее.

Круговорот вещества и энергии зависит от потенциальной энергии Fт, которая постоянно переходит в кинетическую и обратно. Кроме того, при помощи этой силы удерживается атмосфера, влияющая на жизнь и защищающая от губительного излучения космического пространства и близлежащей звезды — Солнца. В результате этого существует такая характеристика, как атмосферное давление. Оно является результатом воздействия Fт на слои атмосферы.

Благодаря Fт живые организмы ориентируются в пространстве при помощи определенных рецепторов. У человека за это отвечает вестибулярный аппарат. Кроме того, постоянное воздействие Fт стало причиной образования прочного скелета у позвоночных.

Таким образом, сила тяжести играет важную роль в существовании жизни на Земле, поскольку от нее зависит множество явлений и процессов, а также в построении Вселенной.

Разбираетесь с такой физической категорией, как сила тяжести? Формула, ее составляющие и единицы измерения укажут, что сильнее притянет Земля — яблоко или поезд. Отличается ли сила тяжести от силы тяготения? Объясним, как не перепутать эти две величины.

Что такое сила тяжести

Каждый день наблюдаем, как тела вокруг деформируются (меняют форму или размеры), ускоряются или тормозят, падают. В реальной жизни с различными телами происходят самые разнообразные вещи. Причина всех действий и взаимодействий кроется в некой силе. О чем идет речь?

Понятие силы

Силой называют физическую векторную величину, которая оказывает воздействие на тело, а ее источниками становятся другие тела. Что означает понятие векторной величины? Это говорит о том, что сила наделена направлением. В зависимости от того, куда она направлена, можно получить разные результаты.

Это как если стоять на вершине горы на сноуборде, то от направления толчка будет зависеть дальнейшее движение. Таков результат приложения силы в этом случае. Силы, которые изучают ученые-физики, разнообразны и очень важны для нашей повседневной жизни.

Определение и значение силы тяжести

Одна из них носит название сила тяжести. Физика предлагает следующее определение: сила тяжести — это величина, которая показывает, насколько сильно Земля притягивает тело, которое расположено на ее поверхности или рядом с ней. Таким образом, направление этой силы — центр нашей планеты.

Сила тяжести на Земле крайне важна по следующим причинам:

Наша планета притягивает все, что попадает в сферу действия этой силы, будь то твердое тело, жидкость или газ.
Благодаря ее существованию стало возможным создание атмосферы (молекулы газов, которые ее составляют, не улетают в космические просторы), появились и остаются на своих местах моря и океаны.
Любой предмет, который приподнимаем и роняем, обязательно упадет вниз по направлению к Земле.

Кстати, именно из-за воздействия этой силы люди не могут летать. Самостоятельно развить скорость, на которой полет становится возможным (так называемую первую космическую) человек не способен, а потому в обычной жизни всегда твердо стоит ногами на Земле.

Сила тяжести и сила тяготения: отличия

Падение перьев как пример силы тяжести: Freepick

Сила тяжести, определение которой дали выше, схожа с силой тяготения. Оба варианта связывает сила притяжения.

Однако эти две силы не одно и то же, хоть их и часто путают. Давайте разберемся, в чем тут дело.

Еще в 1682 году Исаак Ньютон открыл закон о всемирном тяготении. Сформулирован он был так: тела притягивают друг друга, а сила этого тяготения — величина, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональна расстоянию, возведенному в квадрат.

Математически силу тяготения записывают так: F = G×M×m/R², где:

F — сила тяготения, Н;
M — масса первого тела (часто планеты), кг;
m — масса второго тела, кг;
R — дистанция между ними, м;
G — постоянная величина (G = 6,67×10⁻¹¹ м³×кг⁻¹×с⁻²).

Продемонстрировать эту силу легко — достаточно встать на весы. Стрелка сразу же отклонится, показывая вес тела. Так происходит из-за очень большой массы Земли, благодаря которой мы придавлены к ней. На Луне, масса которой меньше, вес человека меньше в несколько раз.

Итак, закон о всемирном тяготении и соответствующая сила необходимы для вычисления силы взаимодействий между разнообразными телами. При этом их размеры должны быть меньше, чем расстояние между ними.

Теперь вернемся к нашей теме и рассмотрим подробно, что же такое сила тяжести, обозначение которой дали выше, и как она связана с силой тяготения.

Сила тяжести: формула, единицы измерения

Напомним, что когда говорим о силе тяжести, то имеем в виду силу, с которой осуществляет притяжение наша планета.

Формула силы тяжести такова: F = m×g, где:

F — сила тяжести, Н;
m — масса тела, кг;
g — ускорение свободного падения, м/с².

В этой формуле видим новую величину — ускорение свободного падения. Так называют ускорение, которое приобретает тело рядом с Землей во время свободного и беспрепятственного падения. Рядом с поверхностью Земли значение этой величины примерно равняется 9,81 м/с², а в приблизительных расчетах используют округленное значение 10 м/с².

По этой формуле рассчитывается сила тяжести, единица измерения которой — Ньютоны (в честь Исаака Ньютона).

Капл дождя падают на Землю благодаря силе тяжести: Freepick

Чему равна сила тяжести? Глядя на эту формулу, можно сказать, что сила тяжести схожа с весом тела. В покое на Земле эта величина и вес будут идентичны. Но это не одно и то же. Почему? Объяснение не сложное:

Силой, с которой на тела действует Земля, называют силу тяжести.
Вес тоже сила, с которой тела действуют на опору.
То есть у них отличаются точки действия: первая направлена на центр массы тел, а вес направлен на опору.

Кроме того, на величину силы тяжести влияет масса и планета, на которой проводятся измерения. Вес определяется также ускорением, с которым происходит движение тела и опоры.

К примеру, вес тела в лифте определяется тем, в каком направлении и как быстро происходит движение тела. Сила тяжести не учитывает, куда и что движется: эти внешние факторы на нее не влияют.

Итак, с весом разобрались. А что же с силой тяготения, которую упоминали выше? Можем ли две эти силы приравнять? На этот раз ответ будет утвердительным. Но только, когда мы говорим о Земле и теле, которое к ней притягивается. В этом случае обе силы будут равны.

Выразим это математически:

Если обе части полученного уравнения разделить на массу, то получим такую формулу: g = G×M/R².

Величина g (ускорение свободного падения) уникальна для каждой планеты:

На нашей Земле свободно падающее тело с каждой секундой ускоряется примерно на 9,81 метр (м/с²).
Ускорение свободного падения рядом с Луной имеет величину всего 1,62 м/с².
На Юпитере это значение достигает 26,2 м/с². Человек, который весит 60 кг, на этой планете почувствует себя так, будто бы поправился на 100 кг.

Как изменится величина, если тело будет падать 4 секунды? Попробуем подсчитать:

Скорость падения в начальной точке составит 0 м/с².
В течение первой секунды она увеличится до 9,81 м/с².
За вторую секунду величина вырастет вдвое и составит 19,62 м/с².
Третья секунда добавить еще одну величину ускорения и получится 29,43 м/с².
В четвертую секунду скорость движения тела достигнет 39,24 м/с², что равняется приблизительно 141 км/ч.

Отметим, что яблоко и кирпич будут падать с равной скоростью. Только очень легкие предметы во время падения замедляет воздух, оказывая им ощутимое сопротивление. Так, птичье перышко будет совершать падение очень медленно и плавно.

Задумываемся об этом или нет, на каждого из нас оказывает воздействие сила тяжести. Формула ее расчета состоит из массы, умноженной на величину ускорения свободного падения. Эта сила показывает воздействие планет на тела, которые находятся рядом с их поверхностями. Поэтому ее величина отличается на Земле и на Луне.

Читайте также: