3.4.2. Вес и невесомость
Силу тяжести тg, с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.
Весом тела
называют силу, с
которой тело вследствие его притяжения
к Земле действует на опору или подвес.
При этом предполагается,
что тело неподвижно
относительно опоры или
подвеса.
Пусть тело лежит на
неподвижном относительно Земли
горизонтальном столе (рис. 3,8). Систему
отсчета, связанную с Землей, будем
считать инерциальной.
На тело действуют
сила тяжести
,
направленная вертикально вниз, и сила
упругости
,
с
которой опора действует
на тело. Силу
называют силой
нормального давления
или силой
реакции опоры.
Рис. 3.8. Вес тела, сила тяжести и сила реакции опоры
Силы, действующие на тело,
уравновешивают друг друга:
. В соответствии с
третьим законом Ньютона
тело действует на опору с некоторой
силой
, равной по модулю
силе реакции опоры и направленной в
противоположную сторону:
.
По определению, сила
и
называемся весом тела.
Из приведенных выше соотношений видно,
что
,
т. е. вес тела Р
равен силе тяжести
тg,
если тело неподвижно. Но
эти силы
приложены к разным
телам!
Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности.. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).
Рассмотрим теперь случай,
когда тело лежит на опоре (или подвешено
на пружине) в кабине лифта, движущейся
с некоторым ускорением
относительно
Земли. Система отсчета, связанная с
лифтом, не является инерциальной. На
тело по-прежнему действуют сила тяжести
т
и сила реакции
опоры
,
но теперь эти силы не
уравновешивают друг друга.
По второму закону Ньютона
Сила
,
действующая на опору со стороны тела,
которую и называют
весом тела, по третьему
закону Ньютона равна
.
Следовательно, вес
тела , в ускоренно движущемся лифте
равен
(3.6)
Пусть вектор ускорения
направлен по вертикали
(вниз или вверх).
Если координатную ось ОУ
направить вертикально
вниз, то векторное уравнение для
можно переписать в
скалярной форме:
(3.7)
В ‘этой формуле величины
Р, g
и а
следует рассматривать
как проекции векторов
на
ось ОУ. Так
как эта ось направлена вертикально
вниз, то g>
0, а величины Р и а могут
быть как положительными, так и
отрицательными
Пусть, для определенности,
вектор ускорения
направлен
вертикально вниз, тогда а
> 0
(рис. 3.9).
Рисунок 3.9. Вес тела в
ускоренно движущемся лифте. Вектор
ускорения
направлен
вертикально вниз. 1)a<g, Р<тg; 2) а =g ,Р = 0 (невесомость);3) a>g
Из формулы (1.47) видно, что если а < g, то вес тела Р в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если а > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если а =g,. то Р = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите с выключенными реактивными двигателями.
Если вектор ускорения
направлен вертикально
вверх (рис. 3.10), то а <
0 и,. следовательно,
вес тела всегда будет превышать по
модулю силу тяжести. Увеличение веса
тела, вызванное ускоренным движением
опоры или подвеса, называют перегрузкой.
Действие перегрузки
испытывают космонавты, как при взлете
космической ракеты, так и на участке
торможения при входе корабля в плотные
слои атмосферы. Большие перегрузки
испытывают летчики при выполнении фигур
высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых
самолетах.
Рис.3.10. Вес тела, движущегося
с ускорением
,
направленным вверх