Вага і невагомість.
Поняття ваги не є складним, але це поняття мало пов’язане з життєвим досвідом. У побуті часто замість поняття маси використовують поняття ваги («спортсмен підняв штангу вагою 100 кг»; «боксер важкої ваги»; «зважте 400 г сиру» тощо).
Нехай брусок масою m знаходиться на горизонтальному столі.
На брусок з боку стола крім сили тяжіння mg діє сила пружності N.
Відповідно до третього закону Ньютона, з боку бруска на стіл також діє сила пружності, P спрямована вниз. Ця сила називається вагою бруска.
Вагою тіла називається сила, з якою тіло внаслідок його притягання до Землі тисне на опору або розтягує підвіс.
Вага тіла, яке перебуває в стані спокою, дорівнює силі тяжіння, що діє на це тіло:
З останньої рівності випливає, що вага тіла в стані спокою дорівнює силі тяжіння, яка діє на це тіло. Звідси помилково можна зробити висновок про те, що вага й сила тяжіння — це та сама сила. Розглянемо, чим відрізняються ці сили.
По-перше, вага тіла й сила тяжіння, яка діє на це тіло, прикладаються до різних тіл: сила тяжіння прикладена до тіла, а вага — до опори або підвісу.
По-друге, сила тяжіння і вага мають різну фізичну природу: сила тяжіння є окремим випадком сили всесвітнього тяжіння, а вага зазвичай є силою пружності.
По-третє, сила тяжіння дорівнює вазі тіла лише у випадку, якщо тіло перебуває в стані спокою або рухається з постійною швидкістю.
Повернемося до попереднього
малюнка: брусок лежить на горизонтальному
столі. Відповідно до третього закону
Ньютона, вага бруска, тобто сила, P
з якою брусок тисне на стіл, і сила, N
з якою стіл діє на брусок, пов’язані
співвідношенням .
Оскільки брусок
перебуває в стані спокою, рівнодійна
всіх сил, які діють на брусок, дорівнює
нулю:
.
Якщо опора, на якій лежить
брусок, почне рухатися з прискоренням,
a
спрямованим вертикально вгору, то сили
mg і
N уже
не зрівноважуватимуть
одна одну, тому що їх
рівнодійна
надасть
бруску прискорення a.
Відповідно до другого закону Ньютона,
.
Тому
.
Звідси дістаємо, що вага тіла, яке рухається з прискоренням, обчислюється за формулою:
Слід звернути увагу на те, що вага тіла залежить лише від прискорення й не залежить від швидкості.
Якщо прискорення тіла спрямоване вгору, то вага тіла більша за силу тяжіння:
Якщо прискорення тіла спрямоване вниз, то вага тіла менша за силу тяжіння:
Із формули випливає, що під час руху тіла з прискоренням, яке дорівнює, g вага тіла дорівнює нулю.
Стан, за якого вага тіла дорівнює нулю, називається станом невагомості.
Необхідно звернути увагу на те, що в стані невагомості вага тіла дорівнює нулю, але сила тяжіння дорівнює .mg
Отже, тіло перебуває в стані невагомості, якщо на нього діє лише сила тяжіння. Щоб випробувати короткочасний стан невагомості, достатньо просто підстрибнути. Поки ноги людини, яка підстрибнула, не торкнуться підлоги, вона перебуватиме в стані невагомості.
Характерною властивістю стану невагомості є відсутність «внутрішніх напружень» у тілі, наприклад відсутність тиску одних органів на інші в тілі людини.
Тривалий стан невагомості випробовують космонавти в космічному кораблі, коли його двигуни вимкнені. При цьому космонавти разом із космічним кораблем рухаються під дією виключно сил тяжіння (з боку Землі, Місяця або яких-небудь інших космічних тіл).
Коли вага тіла більша за силу тяжіння, говорять, що тіло зазнає перевантаження. Перевантаження зазнають пасажири ліфтів, космонавти під час зльоту на ракеті в космос, льотчики в момент виходу з пікірування тощо. У випадку перевантаження збільшується не лише вага людини в цілому, але й кожного її органа. Здорова людина може без шкоди для здоров’я витримувати короткочасні трикратні перевантаження, тобто збільшення ваги втричі. Космонавтам же під час старт й посадки космічного корабля доводиться витримувати багаторазові перевантаження.