Реферат на тему ускорение свободного падения

Обновлено: 04.07.2024

Первым человеком, изучавшим природу падения тел, был греческий ученый Аристотель.

Его теория о том, что все тела хотят обрести состояние покоя, стремясь к центру планеты, отчасти была верна. Однако Аристотель исходил из того, что скорость падения тел напрямую зависит от их массы.

Исаак Ньютон, портрет Жана-Леона

Заблуждение это просуществовало несколько веков, пока итальянец Галилео Галилей не обобщил и не проанализировал опыт и эксперименты нескольких поколений исследователей. Именно он предположил, что в среде, свободной от воздуха, все тела будут падать с одинаковой скоростью. Также Галилей предположил, что во время падения скорость тел постоянно увеличивается.

Экспериментировать со свободным падением тел продолжил Исаак Ньютон. Достижения науки и инженерии позволили ученому ставить эксперименты в среде с разряженным воздухом. Этого удалось достичь благодаря изобретению насоса.

В длинную стеклянную колбу ученый поместил перо и металлическую монетку, после чего откачал из колбы воздух. Падение тел в разряженном воздушном пространстве имело одинаковую скорость, несмотря на большую разницу в массе и плотности.

Эксперимент Гилилея с металлическими шарами

На тот момент четкой формулы ускорения еще не было, но исследователи предположили, что во время свободного падения тело проходит отрезки пространства в равные промежутки времени, а пространства эти соотносятся между собой как нечетные, последовательные числа, например 1:3:5…. Таким образом, был установлен признак равноускоренного движения.

Вскоре эксперименты и несложные вычисления позволили установить величину постоянного ускорения свободного падения (g) на Земле, она оказалась равна 9,8156 м/с2.

Направлено свободное падение всегда вниз. Но почему же тела падают именно таким образом? История об открытии закона всемирного тяготения известна всем: наблюдая за падением яблока с ветки, Ньютон сделал интересный вывод, что сила Земли притягивает к себе все предметы, на любом расстоянии.

И доказательством тому – спутник Земли Луна, которая притягивается Землей и потому движется по орбите вокруг планеты. Однако и Луна обладает силой притяжения, что вызывает на Земле приливы и отливы.

То, что силы, определяющие направление движения небесных тел и вынуждающие тела падать, имеют одну природу, Ньютон смог сформулировать только к концу 17 века.

Формула ускорения свободного падения

Доказательство своего закона всемирного тяготения Ньютон начал с вычисления ускорения Луны относительно центра Земли. Ученый понимал, что на эту величину влияет не только удаленность предметов друг от друга, но и их масса. Таким образом, сила тяготения прямо пропорциональна массе притягиваемого тела (второй закон Ньютона).

Также Ньютон пришел к выводу, что сила, удерживающая планеты на своих орбитах (сила притяжения Солнца), уменьшается пропорционально их расстоянию от Солнца в квадрате.

Суть закона всемирного тяготения заключается в следующем: каждая частица Вселенной притягивает любую другую частицу с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними в квадрате и прямо пропорциональной произведению масс этих частиц.

На Луне и на других планетах сила тяжести, воздействующая на одно и то же тело, будет неодинакова, зависит она напрямую от массы космического тела. Например, ускорение g на Луне в несколько раз меньше, чем на Земле.

Таким образом, зная массу планеты, можно вычислить ускорение свободного падения тела на этой планете.

Показатели g – ускорение свободного падения на Солнце и планетах солнечной системы:

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение Ветлужская средняя общеобразовательная школа

Секция: точные науки

Предмет: Физика

Исследовательская работа

Авторы работы:

Лобурев Иван, 9а класс, 15 лет

МАОУ Ветлужская СОШ,

Зорина Вероника, 9а класс, 15 лет

МАОУ Ветлужская СОШ

Руководитель:

Бархоткина Ирина Павловна,

учитель физики и математики.

II. Основная часть

Глава 1: Ускорение свободного падения на поверхности Земли

§1. Исторические сведения об открытии свободного падения и методах его измерения;

§2. Как происходит падение тел вблизи поверхности Земли?

§3. Расчет ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли.

§4. Для чего измеряют ускорение свободного падения

Глава 2: Методы измерения ускорения свободного падения

§1. Измерение ускорения свободного падения с помощью наклонной плоскости

§2. Измерение ускорения свободного падения с помощью маятника

IV. Список использованных источников и литературы

Свободное падение - это движение тел только лишь под действием притяжения Земли ( под действием силы тяжести). В условиях Земли падение тел считается условно свободным, т.к. при падении тела в воздушной среде всегда возникает еще и сила сопротивления воздуха. Идеальное свободное падение возможно лишь в вакууме, где нет силы сопротивления воздуха, и независимо от массы, плотности и формы все тела падают одинаково быстро, т. е. в любой момент времени тела имеют одинаковые мгновенные скорости и ускорения. Наблюдать идеальное свободное падение тел можно в трубке Ньютона, если с помощью насоса выкачать из неё воздух.

При свободном падении все тела вблизи поверхности Земли независимо от их массы приобретают одинаковое ускорение, называемое ускорением свободного падения. Ускорение свободного падения на Земле приблизительно равно g = 9,81м/с2.

В своей работе мы хотим исследовать ускорения свободного падения.

Мы рассмотрим историю открытия ускорения свободного падения, физическую сущность ускорения свободного падения, ускорение свободного падения в различных точках земного шара, приборы, используемые для измерения ускорения свободного падения. Во второй части будут рассмотрены различные способы измерения ускорения свободного падения.

Цель работы: Определение ускорения свободного падения различными способами.

Изучить литературу по данной теме.

Ознакомиться с историей открытия свободного падения.

Рассмотреть способы определения ускорения свободного падения.

Провести самостоятельные измерения ускорения свободного падения разными способами. Определить наиболее точные способы определения ускорения свободного падения.

Объект исследования - свободное падение.

Предмет исследования – методы измерения ускорения свободного падения.

В качестве гипотезы было выдвинуто предположение о том, что ускорение свободного падения является постоянной величиной.

Ускорение свободного падения на поверхности Земли.

Исторические сведения об открытии свободного падения и методах его измерения;

Ускорение свободного падения впервые определил итальянский ученый Галилео Галилей. Он измерял ускорение движения тел, которые двигались по наклонной плоскости, и ему удалось установить, что предельное ускорение таких тел (а это и есть ускорение свободного падения) составляет 9,8 м/с 2 .

Долгое время считали, что Земля сообщает разным телам различные ускорения. Простые наблюдения как будто подтверждают это. Птичье перо или лист бумаги падают гораздо медленнее, чем камень. Вот почему со времен Аристотеля считалось незыблемым мнение, что ускорение, сообщаемое Землей телу, тем больше, чем тяжелее тело.

Только Галилею удалось опытным путем доказать, что в действительности это не так. Нужно учитывать сопротивление воздуха. Именно оно искажает картину свободного падения тел, которую можно было бы наблюдать в отсутствие земной атмосферы. Галилей писал: ". различие в скорости движения в воздухе шаров из золота, свинца, меди, порфира и других тяжелых материалов настолько незначительно, что шар из золота при свободном падении на расстоянии в одну сотню локтей наверняка опередил бы шар из меди не более чем на четыре пальца. Сделав это наблюдение, я пришел к заключению, что в среде, полностью лишенной всякого сопротивления, все тела падали бы с одинаковой скоростью". Существует легенда, будто Галилей проделал большой демонстрационный опыт, бросая легкие и тяжелые предметы с вершины Пизанской падающей башни (одни говорят, что он бросал стальные и деревянные шары, а другие утверждают, будто это были железные шары весом 0,5 и 50 кг). Предположив, что произошло бы в случае свободного падения тел в вакууме, Галилей вывел следующие законы падения тел для идеального случая:

Галилей не только проверил опытом и отстаивал это утверждение, но и установил вид движения тела, падающего по вертикали: ". говорят, что естественное движение падающего тела непрерывно ускоряется. Однако, в каком отношении происходит, до сих пор не было указано; насколько я знаю, никто еще не доказал, что пространства, проходимые падающим телом в одинаковые промежутки времени, относятся между собою, как последовательные нечетные числа". Так Галилей установил признак равноускоренного движения:

Таким образом, можно предположить, что свободное падение есть равноускоренное движение. Так как для равноускоренного движения перемещение рассчитывается по формуле, то если взять три некоторые точки 1,2,3 через которые проходит тело при падении и записать: (ускорение при свободном падении для всех тел одинаково), получится, что отношение перемещений при равноускоренном движении равно:

Вскоре после Галилея были созданы воздушные насосы, которые позволили произвести эксперименты со свободным падением в вакууме. С этой целью Ньютон выкачал воздух из длинной стеклянной трубки и бросил сверху одновременно птичье перо и золотую монету. Даже столь сильно различающиеся по своей плотности тела падали с одинаковой скоростью. Именно этот опыт дал решающую проверку предположения Галилея.

Как происходит падение тел вблизи поверхности Земли?

В реальных условиях из-за наличия силы трения о воздух механическая энергия тела частично переходит в тепловую. При наличии трения падающие тела имеют ускорение, равное g, только в начальный момент движения. По мере увеличения скорости ускорение уменьшается, движение тела стремится к равномерному.

Как ведут себя падающие тела в реальных условиях?

Возьмите небольшой диск из пластмассы, толстого картона или фанеры. Вырежьте из обычной бумаги диск такого же диаметра. Поднимите их, держа в разных руках, на одинаковую высоту и одновременно отпустите. Тяжелый диск упадет быстрее, чем легкий. На каждый диск действует при падении одновременно две силы: сила тяжести и сила сопротивления воздуха. В начале падения равнодействующая силы тяжести и силы сопротивления воздуха будет больше у тела с большей массой и ускорение более тяжелого тела будет больше. По мере увеличения скорости тела сила сопротивления воздуха увеличивается и постепенно сравнивается по величине с силой тяжести, падающие тела начинают двигаться равномерно, но с разной скоростью ( у более тяжелого тела скорость выше). Аналогично движению падающего диска можно рассматривать движение падающего вниз парашютиста при прыжке с самолета с большой высоты.

Парижский физик Ленорман, живший в 18 веке, взял обычные дождевые зонты, закрепил концы спиц и прыгнул с крыши дома. Затем ободренный успехом он изготовил уже специальный зонт с плетеным сиденьем и кинулся вниз с башни в Монпелье. Внизу его окружили восторженные зрители. Как называется ваш зонт? Парашют! - ответил Ленорман ( буквальный перевод этого слова с французского - "против падения").

Положите легкий бумажный диск на более тяжелый пластмассовый или фанерный, поднимите их на высоту и одновременно отпустите. В этом случае они будут падать одновременно. Здесь сопротивление воздуха действует только на тяжёлый нижний диск, а сила тяжести сообщает телам равные ускорения в независимости от их масс.

Расчет ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли.

Ускорение свободного падения g , — ускорение, сообщаемое телу под действием притяжения планеты или другого астрономического тела в безвоздушном пространстве — вакууме. Его значение для Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с². Стандартное ("нормальное") значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с², а в технических расчетах обычно принимают g = 9,81 м/с².

Ускорение свободного падения состоит из двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Значение гравитационного ускорения на поверхности планеты можно приблизительно подсчитать, представив планету точечной массой M , и вычислив гравитационное ускорение на расстоянии её радиуса R :

, (3)

где G — гравитационная постоянная (6,6742×10 -11 м 3 с -2 кг -1 ).

Если применить эту формулу для вычисления гравитационного ускорения на поверхности Земли, мы получим

м/с²

Полученное значение приблизительно совпадает с ускорением свободного падения. Отличия обусловлены:

центростремительным ускорением в системе отсчёта, связанной с вращающейся Землёй;

неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по объёму, который, кроме того, имеет не шарообразную форму;

неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям;

g = 9,780327 [1+0,0053024 sin 2 ( ) – 0,0000058 sin (2 )] – 3,086 ·10 -6 h

где φ — широта рассматриваемого места, h — высота над уровнем моря.

Сделаем рассчет ускорения свободного падения для нашего поселка.

Географические координаты Ветлужский, Нижегородская область, Россия

Широта: 57°10′24″ с.ш.

Долгота: 45°07′21″ в.д.

Высота над уровнем моря: 105 м

g = 9,780327 [1+0,0053024 sin 2 (57°10′)– 0,0000058 sin (257°10′)– 3,086 ·10 -6 105 =

=9 , 780327 (1+0, 0053024 0, 706130 – 0, 0000058 0,911065) – 3,086 ·10 -6 105 =

= 9 , 780327· (1 + 0, 00374418 - 0, 00000528) – 0, 00032403 = 9,81657026м/с 2 .

Для чего измеряют ускорение свободного падения

Дело в том, что измерение ускорения свободного падения в различных точках Земли является мощнейшим способом геологической разведки. Таким способом (без рытья шахт) можно определять наличие полезных ископаемых в толще земной коры. Первый способ: измерение при помощи пружинных весов (рис. 4). Они обладают феноменальной чувствительностью.

Рис. 4. Геологические весы

Второй способ: измерение при помощи математического маятника (груз, подвешенный на длинной нити). Оказывается, что период (время одного полного колебания) колебания такого маятника зависит от ускорения свободного падения.

Чем больше ускорение свободного падения, тем меньше период. То есть, измеряя период маятника в разных точках Земли, можно определить изменение ускорения свободного падения. Геологи используют очень точные маятники (рис. 5), которые позволяют измерять ускорение свободного падения с точностью до миллионных долей.

Рис. 5. Прибор с маятником для разведки полезных ископаемых

Что является нормой для величины ускорения свободного падения?

Как известно Земля имеет фору геоида (сплюснута у полюсов). Это значит, что значение ускорения свободного падания у полюсов больше чем на экваторе. Но на одной и той же географической широте ускорение свободного падения, при прочих равных условиях, должно быть одинаково. Измеряя в рамках одной широты ускорение свободного падения в разных точках, можно судит о наличии полезных ископаемых.

Представьте себе, что вы находитесь на широте Москвы. Допустим, норма ускорения свободного падения на этой широте равна . В рамках данной широты мы смещаемся западнее или севернее и замечаем, что изменилось, теперь оно равно .

Это означает, что мы наткнулись на место с залежами тяжелых ископаемых. Если же ускорение свободного падения уменьшилось, значит, там есть пустоты или залежи легких солей. Как правило, рядом с залежами легких солей находятся залежи нефти. Данный способ называется гравиметрической разведкой. Таким способом были обнаружены залежи нефти в Казахстане и Западной Сибири.

На рис. 6 изображены зоны, где ускорение свободного падения больше (красные области) или меньше (синие области).

Рис. 6. Области, где ускорение свободного падения отличается от

ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

Измерение ускорения свободного падения с помощью наклонной плоскости

Оборудование: деревянный брусок, трибометр, штатив с муфтой и лапкой, электронный секундомер, динамометр, измерительная лента, линейка

При движении тела по наклонной плоскости на него действуют три сила тяжести, сила трения, сила нормальной реакции опоры (см. рис. 4).

F _тр N

Запишем второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях на оси координат.

Ох: -F _тр + F _т sinα = ma

Oy : N - F _т cosα = 0

F _т = mg ; F _тр = μN ; N = mgcosα ; F _тр = μmgcosα

Решая полученные уравнения, выразим ускорение свободного падения: .

Ускорение a вычисляем из формулы , так как начальная скорость бруска при скольжении по наклонной плоскости равна 0: . Видим, что для этого нужно измерить длину наклонной плоскости и время скольжения по ней бруска. Для вычисления sinα и cosα нужно знать длину и высоту наклонной плоскости: ,

Для определения коэффициента трения скольжения положим трибометр на горизонтальную поверхность и с помощью динамометра равномерно протащим по нему брусок. В этом случае на брусок будут действовать 4 силы: сила тяжести, сила упругости пружины динамометра, сила трения, сила реакции опоры (см. рис. 5).

При равномерном движении бруска эти силы будут попарно равны: F _тр =F _у , F _т = N , т. е. F _у =μ F _т , тогда коэффициент трения равен

В данном опыте сила упругости пружины динамометра оказалась равна 0,2 Н , сила тяжести – 0,6 Н , коэффициент трения μ=0,33 .

Теперь можно вычислить ускорение свободного падения:

Ускорение свободного падения =9,804 м/с 2 .

Измерение ускорения свободного падения при помощи математического маятника

Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на длинной, невесомой, нерастяжимой нити. В реальных условиях математическим маятником можно считать шар, подвешенный на нити при условии, что размеры шара много меньше длины нити, масса нити много меньше массы шара, растяжение нити шаром настолько мало, что им можно пренебречь.

Период колебания математического маятника вычисляется по формуле , где l – длина нити маятника. Отсюда следует, что ускорение сво-

бодного падения можно найти так: . Проделываем три опыта, не меняя условий, т. е. измеряем время 40 полных колебаний, вычисляем , и g .

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….…..3-4 РАЗДЕЛ 1. СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ ТЕЛ В ПРОСТРАНСТВЕ………. 5-6
РАЗДЕЛ 2. РАСЧЁТ УСКОРЕНИЯ СВОБОЖНОГО ПАДЕНИЯ…………….6
РАЗДЕЛ 3.ВАЖНОСТЬ ЗНАНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ…………………………………………………………………. ….6-7
ВЫВОД………………………………………………………………………..…. 8
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..…. 9
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ……………………………………………………..…….9

ВВЕДЕНИЕ
Все тела во Вселенной взаимодействуют между собой с силой Всемирного тяготения. Величина этой силы для двух взаимодействующих тел зависит от их масс и расстояния между ними.Мы постоянно испытываем притяжение к Земле, хотя не задумываемся об этом.
Первые высказывания о тяготении, как всеобщем свойстве тел, относится к античности.
В 16 и 17 веках в Европе возродились попытки доказательства существования взаимного тяготения тел.
Формулировка закона Всемирного тяготения была сделана выдающимся английским учёным Исааком Ньютоном в 1687 году.
Ньютоновская теория тяготенияпозволяет рассчитывать с большой точностью движения небесных тел, а так же, что очень важно для нас, живущих на Земле, позволяет определять величину гравитации на нашей планете.
Кстати, притяжение на различных небесных объёктах разное, так как его величина зависит от массы тела.
Например, на Луне оно в 6 раз меньше, чем на Земле, а на Юпитере приблизительно в 11 раз больше.
При изучении Земнойгравитации оказалось, что она разная в разных частях земного шара и непостоянна по величине.
Это связано с вращением Земли вокруг своей оси и с процессом протекающими в земных недрах.
В 2009 году Европейским космическим агентством был запущен спутник GOCE (гоче) для получения подробной информации о земной гравитации.
После двух лет исследования появилось очень точная гравитационная картаЗемли.
Важно то, что учёные научились обнаруживать отклонения в гравитации. Т.е. можно прогнозировать появления тектонических разломов, замечать движения магмы в глубинах под вулканами, прогнозировать землетрясения.
Для определения величины гравитации вычисляют ускорение свободного падения.
Средний коэффициент земного притяжения равен приблизительно 9,8 м/с2 над уровнем моря.
Мне было интересноопределять величину гравитации в нашей местности и пронаблюдать изменяется ли она.
Я определял ускорение свободного падения различными техническими доступными способами для выбора более точного. Способы: маятниковый, капельный, во время падения тел и др. Наиболее точный результат даёт маятниковый способ. И мне удалось установить, что сейчас значение гравитации в нашей местности стабильно по величине, а этозначит, что земная кора здесь содержит толстые слои лёгких пород без тектонических разломов.

РАЗДЕЛ 1. Свободное падение

Мы, живущие на Земле, испытываем на себе гравитационную силу притяжения Земле. Из ежедневных наблюдений мы знаем, что если камень и лист с дерева начали падать с одинаковой высоты одновременно, то камень достигнет Земли.

где m – масса тела, М – масса Земли, R – радиус Земли, h – высота тела над поверхностью Земли. Сила тяжести направлена вертикально вниз, к центру Земли.

Более точно, помимо этой силы, в системе отсчета, связанной с Землей, на тело действует центробежная сила инерции \(~\vec F_c\) , которая возникает из-за суточного вращения Земли, и равна \(~F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) , где m – масса тела; r – расстояние между телом и земной осью. Если высота тела над поверхностью Земли мала по сравнению с ее радиусом, то \(~r = R \cos \varphi\) , где R – радиус Земли, φ – географическая широта, на которой находится тело (рис. 1). С учетом этого \(~F_c = m \cdot \omega^2 \cdot R \cos \varphi\) .

Силой тяжести называется сила, действующая на любое находящееся вблизи земной поверхности тело.

Она определяется как геометрическая сумма действующей на тело силы гравитационного притяжения к Земле \(~\vec F_g\) и центробежной силы инерции \(~\vec F_c\) , учитывающей эффект суточного вращения Земли вокруг собственной оси, т.е. \(~\vec F_T = \vec F_g + \vec F_c\) . Направление силы тяжести является направлением вертикали в данном пункте земной поверхности.

НО величина центробежной силы инерции очень мала по сравнению с силой притяжения Земли (их отношение составляет примерно 3∙10 -3 ), то обычно силой \(~\vec F_c\) пренебрегают. Тогда \(~\vec F_T \approx \vec F_g\) .

Ускорение свободного падения

Сила тяжести сообщает телу ускорение, называемое ускорением свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона

С учетом выражения (1) для модуля ускорения свободного падения будем иметь

На поверхности Земли (h = 0) модуль ускорения свободного падения равен

а сила тяжести равна

\(~\vec F_T = m \vec g\) .

Модуль ускорения свободного падения, входящего в формулы, равен приближенно 9,8 м/с 2 .

Из формулы (2) видно, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Оно уменьшается при подъеме тела над поверхностью Земли: ускорение свободного падения обратно пропорционально квадрату расстояния тела от центра Земли.

Однако если высота h тела над поверхностью Земли не превышает 100 км, то при расчетах, допускающих погрешность ≈ 1,5%, этой высотой можно пренебречь по сравнению с радиусом Земли (R = 6370 км). Ускорение свободного падения на высотах до 100 км можно считать постоянным и равным 9,8 м/с 2 .

И все же у поверхности Земли ускорение свободного падения не везде одинаково. Оно зависит от географической широты: больше на полюсах Земли, чем на экваторе. Дело в том, что земной шар несколько сплюснут у полюсов. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км.

Другой, более существенной причиной зависимости ускорения свободного падения от географической широты является вращение Земли. Второй закон Ньютона справедлив в инерциальной системе отсчета. Такой системой является, например, гелиоцентрическая система. Систему же отсчета, связанную с Землей, строго говоря, нельзя считать инерциальной. Земля вращается вокруг своей оси и движется по замкнутой орбите вокруг Солнца.

Вращение Земли и сплюснутость ее у полюсов приводит к тому, что ускорение свободного падения относительно геоцентрической системы отсчета на разных широтах различно: на полюсах g_пол ≈ 9,83 м/с 2 , на экваторе g_экв ≈ 9,78 м/с 2 , на широте 45° g ≈ 9,81 м/с 2 . Впрочем, в наших расчетах мы будем считать ускорение свободного падения приближенно равным 9,8 м/с 2 .

Из-за вращения Земли вокруг своей оси ускорение свободного падения во всех местах, кроме экватора и полюсов, не направлено точно к центру Земли.

Кроме того, ускорение свободного падения зависит от плотности пород, залегающих в недрах Земли. В районах, где залегают породы, плотность которых больше средней плотности Земли (например, железная руда), g больше. А там, где имеются залежи нефти, g меньше. Этим пользуются геологи при поиске полезных ископаемых.

Вес тела

Вес тела – это сила, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле, действует на опору или подвес.

По третьему закону Ньютона обе эти силы упругости равны по модулю и направлены в противоположные стороны. После нескольких колебаний тело на пружине оказывается в покое. Это значит, что сила тяжести \(~m \vec g\) по модулю равна силе упругости F_упр пружины. Но этой же силе равен и вес тела.

Таким образом, в нашем примере вес тела, который мы обозначим буквой \(~\vec P\) , по модулю равен силе тяжести:

Второй пример. Пусть тело А находится на горизонтальной опоре В (рис. 3). На тело А действует сила тяжести \(~m \vec g\) и сила реакции опоры \(~\vec N\) . Но если опора действует на тело с силой \(~\vec N\) то и тело действует на опору с силой \(~\vec P\) , которая в соответствии с третьим законом Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению \(~\vec N\) \[~\vec P = -\vec N\] . Сила \(~\vec P\) и есть вес тела.

Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно, т. е. без ускорения, то, согласно второму закону Ньютона,

\(~\vec N + m \vec g = 0\) .

\(~\vec N = -\vec P\) , то \(~-\vec P + m \vec g = 0\) .

Значит, если ускорение а = 0, то вес тела равен силе тяжести.

Но это не значит, что вес тела и сила тяжести, приложенная к нему, одно и то же. Сила тяжести приложена к телу, а вес приложен к опоре или подвесу. Природа силы тяжести и веса тоже различна. Если сила тяжести является результатом взаимодействия тела и Земли (сила тяготения), то вес появляется в результате совсем другого взаимодействия: взаимодействия тела А и опоры В. Опора В и тело А при этом деформируются, что приводит к появлению сил упругости. Таким образом, вес тела (как и сила реакции опоры) является частным видом силы упругости.

Вес обладает особенностями, существенно отличающими его от силы тяжести.

Во-первых, вес определяется всей совокупностью действующих на тело сил, а не только силой тяжести (так, вес тела в жидкости или воздухе меньше, чем в вакууме, из-за появления выталкивающей (архимедовой) силы). Во-вторых, вес тела, существенно зависит от ускорения, с которым движется опора (подвес).

Вес тела при движении опоры или подвеса с ускорением

Можно ли увеличить или уменьшить вес тела, не изменяя самого тела? Оказывается, да. Пусть тело находится в кабине лифта, движущегося с ускорением \(~\vec a\) (рис. 4 а, б).

Согласно второму закону Ньютона

\(~\vec N + m \vec g = m \vec a\) , (3)

где N – сила реакции опоры (пола лифта), m – масса тела.

По третьему закону Ньютона вес тела \(~\vec P = -\vec N\) . Поэтому, учитывая (3), получим

\(~\vec P = m (\vec g - \vec a)\) .

Направим координатную ось Y системы отсчета, связанной с Землей, вертикально вниз. Тогда проекция веса тела на эту ось будет равна

\(~P_y = m (g_y - a_y)\) .

Так как векторы \(~\vec P\) и \(~\vec g\) сонаправлены с осью координат Y, то Р_y = Р и g_y = g. Если ускорение \(~\vec a\) направлено вниз (см. рис. 4, а), то a_y = а, и равенство принимает следующий вид:

Из формулы следует, что лишь при а = 0 вес тела равен силе тяжести. При а ≠ 0 вес тела отличается от силы тяжести. При движении лифта с ускорением, направленным вниз (например, в начале спуска лифта или в процессе его остановки при движении вверх) и по модулю меньшим ускорения свободного падения, вес тела меньше силы тяжести. Следовательно, в этом случае вес тела меньше веса того же тела, если оно находится на покоящейся или равномерно движущейся опоре (подвесе). По этой же причине вес тела на экваторе меньше, чем на полюсах Земли, так как вследствие суточного вращения Земли тело на экваторе движется с центростремительным ускорением.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если тело движется с ускорением \(~\vec a\), направленным вертикально вверх (см. рис. 4, б). В данном случае получаем

Вес тела в лифте, движущемся с ускорением, направленным вертикально вверх, больше веса покоящегося тела. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры (или подвеса), называется перегрузкой. Перегрузку можно оценить, найдя отношение веса ускоренно движущегося тела к весу покоящегося тела:

Тренированный человек способен кратковременно выдерживать примерно шестикратную перегрузку. Значит, ускорение космического корабля, согласно полученной формуле, не должно превосходить пятикратного значения ускорения свободного падения.

Невесомость

Возьмем в руки пружину с подвешенным к ней грузом, а лучше пружинные весы. По шкале пружинных весов можно отсчитать вес тела. Если рука, держащая весы, покоится относительно Земли, весы покажут, что вес тела по модулю равен силе тяжести mg. Выпустим весы из рук, они вместе с грузом начнут свободно падать. При этом стрелка весов устанавливается на нуле, показывая, что вес тела стал равным нулю. И это понятно. При свободном падении и весы и груз движутся с одинаковым ускорением, равным g. Нижний конец пружины не увлекается грузом, а сам следует за ним, и пружина не деформируется. Поэтому нет силы упругости, которая действовала бы на груз. Значит, и груз не деформируется и не действует на пружину. Вес исчез! Груз, как говорят, стал невесомым.

Невесомость объясняется тем, что сила всемирного тяготения, а значит, и сила тяжести сообщают всем телам (в нашем случае – грузу и пружине) одинаковое ускорение g. Поэтому всякое тело, на которое действует только сила тяжести или вообще сила всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости. В таких условиях находятся свободно падающие тела, например тела в космическом корабле. Ведь и космический корабль, и тела в нем тоже находятся в состоянии длительного свободного падения. Впрочем, в состоянии невесомости, хотя и непродолжительно, находится каждый из вас, спрыгивая со стула на пол или подпрыгивая вверх.

Это же можно доказать и математически. При свободном падении тела \(~\vec a = \vec g\) и \(~P = m (g - g) = 0\) .

Читайте также: