uabooks.top » Физика » 22. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость
Інформація про новину
  • Переглядів: 69
  • Дата: 21-11-2020, 17:22
21-11-2020, 17:22

22. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость

Категорія: Физика




Где бы мы ни находились - высоко в горах, на равнине или в глубокой шахте - везде на нас действует сила тяжести. Интересно, почему же мы не проваливаемся «сквозь землю»?

СИЛА, С КОТОРОЙ ТЕЛО ДЕЙСТВУЕТ НА ОПОРУ

Рассмотрим тело 1 (рис. 22.1), которое находится в равновесии на горизонтально расположенной подставке 2. Подставкой в реальной жизни может быть дорога, пол или кресло.

На тело действует вертикально вниз со стороны Земли сила тяжести F^^, в результате чего со стороны тела на подставку перпендикулярно к поверх-

ности действует сила давления FN. Обратное действие подставки на тело (реакция опоры N) является силой упругости и возникает в результате деформации тела и подставки.

Сила тяжести F и сила реакции опоры N в случае равновесия тела уравновешивают друг друга, то есть они равны по величине и противоположны по направлению.

Сила Fn (действие тела на подставку) и сила N (противодействие подставки) всегда равны по величине и противоположны по направлению. Этот факт хорошо проверен на опытах и является следствием третьего закона Ньютона. Таким образом, тело, уравновешенное на горизонтальной подставке, действует на опору с силой Fn, которая по величине и направлению равняется силе тяжести F .

тяж

СИЛА, С КОТОРОЙ ТЕЛО ДЕЙСТВУЕТ НА ПОДВЕС

Рассмотрим тело, подвешенное на тросе (рис.

22.2). На тело действует со стороны Земли сила притяжения F , в результате чего оно тянет

тяж

трос вниз. Трос деформируется (растягивается) и действует на тело с силой натяжения, которую принято обозначать буквой T. Если тело уравновешено, то силы F и T должны компенсировать друг друга (то есть они равны по величине и противоположны по направлению). Силы T и Т} которые действуют на тело и потолок также равны, если пренебречь массой троса.

Силу Fn и Т} обычно обозначают буквой P и называют весом. Вес - это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес в результате действия силы тяжести и движения опоры или подвеса с ускорением.

ПРОЦЕДУРА ВЗВЕШИВАНИЯ

Когда нужно взвесить тело, его кладут на чашу пружинных весов или подвешивают к пружине динамометра. Взвешивание требует соблюдения определенной процедуры. В частности, поверхность чашки должна быть горизонтальной, а пружина динамометра - размещенной вдоль вертикали. Кроме того, весы или динамометр должны быть неподвижными относительно тела отсчета (помещение, в котором происходит взвешивание).

Уточним понятие «вертикаль». Вертикаль -это линия, которая совпадает с нитью отвеса

(рис. 22.3). Отвес легко изготовить, подвесив на нитке гайку.

Плоскость, перпендикулярную к вертикали, называют горизонтальной. Горизонтальность поверхности проверяют с помощью уровня -устройства, которое содержит несколько выгнутую кверху трубку с водой, в которой находится пузырек воздуха. Поверхность воды в не слишком большом водоеме также горизонтальна.

СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ

В природе можно наблюдать движение, которое происходит с постоянным по величине ускорением. Это движение тела, когда никакие другие силы, кроме тяжести Земли, на него не действуют. Такое движение называют свободным падением, и его можно реализовать, например, в вакууме. Движение парашютистов в затяжном прыжке лишь напоминает свободное падение (рис. 22.4).

Если тело свободно падает, то есть двигается только под воздействием силы тяжести (например, в вертикальной трубе, из которой выкачали воздух), его скорость равномерно возрастает на

9.8 м/с за каждую секунду (ускорение составляет 9,8 м/с2). Ускорение свободного падения обозначают буквой «g». Если тело подбросить вверх, то его скорость будет уменьшаться на 9,8 м/с за каждую секунду (то есть его ускорение -

9.8 м/с2).

На рис. 22.5 изображен опыт с трубкой Ньютона. При наличии воздуха в трубке дробинка опережает перышко из-за сопротивления воздуха. Если откачать из трубки воздух, то перышко и дробинка падают одинаково (случай «а» и «б»). Рядом (случай «в») - фотография демонстрационного прибора, с помощью которого этот опыт можно показать. Удивительным в нем является то, что тела разной массы падают в вакууме с одинаковым ускорением.

ПРИМЕР 22.1

Камешек выпустили из рук на высоте 25 м. а) Какова будет его скорость через 1 с и 2 с? б) Какое расстояние камешек пролетит за первую секунду и за две секунды? Считайте, что камешек свободно падает с ускорением g = 10 м/с2.

Решение. а) Поскольку скорость тела при движении вниз растет на 10 м/с за каждую секунду, то в конце первой секунды скорость камешка будет составлять 10 м/с, а через две секунды - 20 м/с. б) Поскольку скорость камешка за первую секунду падения равномерно возрастет до 10 м/с, то его средняя скорость равняется среднему арифметическому от начальной и конечной скоростей, то есть 5 м/с. Следовательно, пройденное им за первую секунду расстояние равняется 5 м.

Аналогично, за две секунды средняя скорость составляет 10 м/с и пройденное расстояние равняется 20 м.

ПРИМЕР 22.2

Стрела при выстреле из лука вертикально вверх вылетает со скоростью 30 м/с. Какими будут скорость стрелы (v) и ее высота (h) через 1, 2, 3, ..., 6 с? Считайте, что стрела двигается с постоянным по величине ускорением

g = - 10 м/с2.

Решение. В данном случае ускорение стрелы отрицательно, то есть ее скорость каждую секунду уменьшается на 10 м/с. Через секунду скорость станет 20 м/с, через две секунды 10 м/с, и так далее. Будет удобно записать результаты расчетов в таблицу:

Через три секунды скорость стрелы равняется нулю, то есть она достигла наивысшей точки своей траектории и дальше будет падать вниз. Через четыре секунды скорость стрелы составляет -10 м/с, знак «-» показывает, что стрела изменила направление движения. Средняя скорость стрелы за первую секунду равняется: (30 + 20)/2 = 25 м/с, следовательно, она достигнет высоты 25 м/с · 1 с = 25 м.

Задание. Остальные клеточки таблицы заполните самостоятельно.

СИЛА ТЯЖЕСТИ И МАССА

Поскольку при свободном падении сила тяжести придает телу ускорения д, то согласно формуле 21.3 второго закона Ньютона можно записать, что:

(22.1)

Таким образом, зная массу тела, по формуле (22.1) можно вычислить силу тяжести, которая на него действует.

ПРИМЕР 22.3

Ясли ваша масса равняется 50 кг, то сила тяжести, которая действует на вас, составляет F = 50 кг · 9,8 м/с2 = 490 Н. В случае, когда опора, на которой вы стоите, горизонтальная и не двигается с ускорением, ваш вес P также будет составлять 490 Н (P = 490 H).

Нужно только помнить, что вес - это сила, которая действует на опору либо подвес, а сила тяжести действует на тело.

Если нужно по данной массе тела найти силу тяжести, которая действует на это тело,

то пишут:

В таком случае g используют как коэффициент пропорциональности для перехода от единиц массы к единицам силы. Но если хотят подчеркнуть, что сила тяжести придает свободно падающему телу ускорение

то пишут

При не очень точных расчетах g округляют до

ПРИМЕР 22.4

С какой силой действует на подставку тело массой 1 кг?

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Если человека массой, скажем, 60 кг спросить, сколько он весит, то ответ, скорее всего, будет 60 кг, хотя правильно было бы сказать: приблизительно 600 Н. Такая путаница возникает из-за того, что когда-то массу и вес измеряли в одинаковых единицах - килограммах.

НЕВЕСОМОСТЬ

Если телу 1 и подставке 2 (рис. 22.1) предоставить возможность вместе свободно падать, то деформации, вызванные взаимодействием этих тел, исчезают, то есть силы Fnv\N становятся равными нулю. Такое состояние называют невесомостью. Невесомость наступает потому, что подставка и тело падают с одинаковым ускорением, независимо от того, какова их масса.

Невесомость одинаково наступает при свободном падении вниз или вертикальном движении. То есть если подбросить тело, то его вес равняется нулю как на стадии подъема, так и на спуске.

Когда космический корабль выходит на околоземную орбиту и выключает двигатели, наступает невесомость. Человек довольно плохо переносит это состояние, и в будущем планируют делать космические станции в виде вращающейся «баранки», внутри которой будет создан искусственный вес (рис. 22.7).

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Вес можно искусственно увеличить, как это делается в центрифуге стиральной машины. В научных лабораториях используют ультрацентрифуги (рис. 22.8), где вес предметов может возрастать в полмиллиона раз по сравнению с нормальным, который численно всегда равняется mg.

ТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

22.1. Объясните механизм «отжима» воды из мокрого белья в центрифуге стиральной машины.

КРАТКИЕ ИТОГИ

Силу, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикально размещенный подвес, называют весом.

Сила тяжести, которая действует на тело со стороны Земли, пропорциональна массе тела и рассчитывается по формуле F = mg.

тяж

В системе отсчета, которая не ускоряется, вес тела: P = mg. При свободном падении тел наступает невесомость.

Тело, которое находится в состоянии свободного падения, двигается около поверхности Земли с ускорением: а) +9,8 м/с2, когда летит вниз; б) -9,8 м/с2, когда летит вверх.

УПРАЖНЕНИЕ 22

1. Как зависит сила, с которой Земля притягивает предметы, от их массы?

2. Каковы сила тяжести и сила реакции опоры в случае равновесия тела на горизонтальной поверхности?

3. Что называют весом тела?

4. Какое движение называют свободным падением?

5. Назовите две особенности свободного падения.

6. Как изменяется скорость тел, которые свободно падают?

7. При каких условиях наступает невесомость?

8. Влияет ли воздух на движение падающих тел?

9. Почему деформируется тело, которое стоит на неподвижной подставке?

10. В каком случае шкаф не проваливается сквозь пол?

11. Коробку, в которой находится жук, подбросили вверх. С какого момента жук станет невесомым?

12. Можно ли взвесить тело на весах в кабине космической станции?

13. Сравните силы N и F (какая из них больше?), которые действуют на человека в лифте, для таких случаев: а) лифт не двигается; б) лифт равномерно двигается вверх.

14. Каков вес тела, масса которого 100 кг? g = 10 Н/кг.

15. Зная собственную массу, вычислите свой вес.

16. На железнодорожную платформу со стороны груза действует сила 20 000 Н. Какова масса груза? g = 10 Н/кг.

17. Тело массой m = 2 кг свободно падает около поверхности Земли. а) Чему равна сила тяжести, которая действует на тело? б) Каков вес тела? g = 10 Н/кг.

18. К шнуру, переброшенному через неподвижный блок, прикреплены тела массой m1 = 3 кг и m2 = 5 кг (рис. 22.9). а) С какой силой действует тело массой 3 кг на шнур? б) С какой силою действует тело массой 5 кг на шнур? в) С какой силой действует тело массой 5 кг на пол?

19. Какое расстояние проходит камешек в примере 22.1 за вторую секунду своего падения? Попробуйте написать формулы, по которым сделаны расчеты скорости и пройденного расстояния.

20. В примере 22.2 определите: а) каковы будут скорость стрелы через 5 и 6 с и высота, соответственно, через 3, 4, 5 и 6 с? б) Какие закономерности вы заметили, полностью заполнив таблицу? в) В этой задаче мы делали расчеты устно и воспользовались записью в таблицу. Попробуйте написать формулы, по которым сделаны эти расчеты.

 

Это материал учебника Физика за 7 класс Пшеничка

 





^