Вес тела. Невесомость

В нашей повседневной речи слово «вес» встречается довольно часто — мы говорим о весе продуктов или собственном весе. Однако обычно под этим термином понимается масса тела. Однако с точки зрения физики — это грубая ошибка. Давайте представим, что на Луне создана жилая космическая станция. Оказавшись там, каждый ученик вашего класса мог бы легко поднять гирю весом 100 килограмм! Меньше ли на Луне вес гири? Да. Меньше ли на Луне масса гири? Нет. Поэтому запомните, что в физике такие понятия, как «вес», «масса» и «сила тяжести» обозначают совершенно разные понятия.

Теперь посмотрим на стол. Как вы видите, на нём находится штатив, в лапке которого у креплён динамометр. Подвесим к нему какое-либо тело. Давайте подумаем, какие силы действуют на это тело? Правильно, на него воздействуют две силы — сила тяжести, направленная вертикально вниз и сила упругости пружины, направленная вверх вдоль оси пружины.

Эти силы уравновешивают друг друга, благодаря чему тело остаётся неподвижным. Пружина тоже находится в состоянии равновесия несмотря на то, что сила упругости стремится вернуть её в исходное состояние. То есть не только пружина воздействует на тело, но и тело оказывает воздействие на пружину с определённой силой. Таки образом, на крючок динамометра действуют две силы.

Если тело поместить на опору, между ними также возникает взаимодействие. Опора воздействует на тело с силой реакции опоры, а тело давит на опору с некоторой силой.

Так вот, сила, с которой тело, находящееся под действием силы тяжести, действует на опору или подвес, называется весом тела.

Вес тела, подобно другим силам, является векторной величиной. Он обозначается буквой латинской буквой Р со стрелочкой (). А единицей измерения веса, как, впрочем, и любой другой силы, является ньютон (Н).

Сила упругости и вес тела направлены противоположно: сила упругости действует перпендикулярно опоре или подвесу вверх, а вес тела — перпендикулярно опоре или подвесу, но вниз.

При этом модули этих сил равны:

P = F_упр.

Поэтому говорят, что динамометр может использоваться для измерения не только силы упругости, но и веса тела. Такой прибор иногда называют пружинными весами.

Вес появляется вследствие гравитационного притяжения Земли и изменяется в зависимости от характера движения тела. Когда тело и его опора неподвижны либо перемещаются с постоянной скоростью по прямой линии, вес тела численно совпадает с силой тяжести, воздействующей на него: P = F_тяж, или P = mg.

Однако следует учитывать, что сила тяжести и вес — это разные понятия.

Сила тяжести и вес различаются тем, что они действуют на разные тела: сила тяжести воздействует на само тело, тогда как вес прикладывается к опоре или подвесу.

Кроме того, сила тяжести в определённой точке Земли всегда остаётся неизменной и рассчитывается по формуле F = mg. В отличие от силы тяжести, вес тела может изменяться и быть как равным, так и больше или меньше этой величины.

И, конечно, важно отличать вес тела от его массы, поскольку эти два термина нередко путают. Вес и масса — это различные физические величины.

Вес обладает числовым значением, направлением и точкой приложения. А единицей его измерения в СИ является ньютон (Н). В то время как масса, измеряемая в килограммах, представляет собой скалярную величину, то есть она не имеет ни направления, ни точки приложения. Например, ребёнок массой 35 килограмм будет иметь вес около 350 Н, если принять ускорение свободного падения примерно равным 10 м/с².

Как мы уже отмечали, численное значение веса тела равно силе тяжести, когда оно находится на неподвижной опоре (или подвешено неподвижно) либо когда опора (или подвес) вместе с телом движется равномерно и прямолинейно. Если же опора (или подвес) вместе с телом движется неравномерно вдоль направления действия силы, например, вверх или вниз, то воздействие тела на опору становится сильнее или слабее, чем при равномерном движении.

В таких случаях вес тела может превышать силу тяжести, быть меньше неё или даже равняться нулю.

Да вы и сами могли это ощущать. Например, когда вы едете в скоростном лифте, в момент начала подъёма вас слегка прижимает к полу, а во время спуска создаётся ощущение, словно вас немного приподнимают. Это связано с тем, что при ускорении лифта вверх вес вашего тела увеличивается, а при движении вниз — уменьшается. Чтобы убедиться в этом, достаточно встать на весы во время поездки в лифте.

А теперь давайте проведём такой эксперимент. Подвесим пружину на нити и прикрепим к её нижнему концу груз. Пружина растягивается под действием веса груза. Затем перережем нить и понаблюдаем за тем, как пружина падает вместе с грузом. Как видим, во время свободного падения пружина остаётся нерастянутой. Это означает, что во время падения груз не оказывает никакого давления на пружину, то есть его вес в это время становится равным нулю.

Таким образом, когда тело свободно падает, оно не воздействует на связанную с ним пружину. Вес такого тела можно считать нулевым — мы говорим, что оно находится в состоянии невесомости. Несмотря на это, сила тяжести продолжает действовать на тело, заставляя его падать.

На космических станциях, вращающихся вокруг Земли, также можно наблюдать подобные эффекты. Станция и всё, что внутри неё, включая космонавтов, постоянно находятся в свободном падении к Земле. В результате все объекты на борту не оказывают давления на опоры, а подвешенные на пружине предметы не растягивают её — они пребывают в состоянии невесомости.

Однако во время разгона космического аппарата при выходе на орбиту или при торможении перед посадкой вес космонавта может превышать силу тяжести, вызывая значительные перегрузки. Перегрузку определяют как отношение веса тела в рассматриваемых условиях к весу тела, покоящегося относительно Земли:

Перегрузки и невесомость можно испытать, не отправляясь в полёт. Перегрузки возникают при движении с разгоном, торможением, резкими поворотами. А состояние, близкое к невесомости, испытывает человек во время прыжка.

Физические процессы в условиях невесомости протекают иначе, чем на Земле. По этой причине на космических станциях проводят разнообразные эксперименты для лучшего понимания физических законов и последующего применения этих знаний на практике. К примеру, поведение пламени свечи в невесомости сильно отличается от того, что наблюдается на Земле. Исследование таких явлений позволило усовершенствовать меры пожарной безопасности на космических аппаратах и повысить эффективность земных двигателей внутреннего сгорания.

Вы уже знаете, что когда тело находится в состоянии покоя или движется равномерно по прямой линии, его вес равен силе тяжести: P = mg.

Поскольку ускорение свободного падения отличается на разных планетах, то и вес тел также будет разным. Однако масса тела остаётся неизменной вне зависимости от планеты, на которой оно находится. Например, если масса космонавта составляет 100 кг, она останется такой же и на Марсе, и на Луне, и на Юпитере.

Теперь определим вес космонавта на Земле и других небесных телах. Итак, на земле ускорение свободного падения в среднем равно 9,8 м/с². Значит вес космонавта на Земле будет равен 980 Н.

На Луне ускорение свободного падения примерно в 6 раз меньше, чем на Земле. Поэтому и вес космонавта на Луне будет в шесть раз меньше и составлять примерно 160 Н.

На Юпитере, самой большой планете Солнечной системы, ускорение свободного падения составляет 24,8 м/с². Поэтому вес космонавта на этой планете был бы равен 2480 Н, то есть более чем в 2,53 раза больше, чем на Земле.