Весом тела Р называют силу с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или растягивает нить подвеса . Вес тела не следует путать с его массой. Масса измеряется в килограммах, а вес как и любая сила в ньютонах. Масса это скалярная величина (не имеет направления), вес – векторная(имеет направление).

Вес тела численно равен силе тяжести, если оно находится на покоящейся относительно Земли опоре или подвешено на нити, неподвижной относительно Земли (т.е в инерциальной системе отсчёта). Если же опора или подвес вместе с телом будут ускоренно двигаться вверх или вниз, то вес тела будет отличаться от силы тяжести, т.е. Р≠ mg.

Силу N, действующую на данное тело со стороны опоры перпендикулярно к его поверхности, называют силой нормальной реакции опоры .

Если тело лежит на непод­вижной опоре, то на него действуют две силы: сила реакции опоры и сила тяжести (рис. 2.5).

На основании второго закона Ньютона , а так как тело покоится, то его ускорение . Следовательно, и . Значит модули этих сил равны: N=mg. Вес тела Р - это сила, противодейст­вующая, согласно третьему закону Ньютона, силе нормального давле­ния N. Тогда N=P и P = mg.

Если же опора или подвес вместе с телом будут ускоренно двигаться вверх или вниз, то вес тела будет отличаться от силы тяжести.

Рассмотрим три случая.

· Если опора или подвес вместе с телом будут двигаться вверх равноускоренно или

вниз равнозамедленно (ускорение в обоих случаях направлено вверх, а> 0), то

P = m (g+а ),

т.е. вес тела больше силы тяжести Р > mg. Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой .

Количественно перегрузку характеризуют отношением , которое обозначают буквой n и называют коэффициентом перегрузки .

Чем меньше время действия перегрузки, тем большую по величине перегрузку способен выдержать человек. Так, установлено, что человек находясь в вертикальном положении, достаточно хорошо переносит перегрузки от 8g за 3с до 5g за 12-15 с. При мгновенном действии, когда они длятся менее 0,1 с, человек способен переносить двадцатикратные и даже большие перегрузки.

На участке разгона ракеты-носителя коэффициент перегрузки составляет несколько единиц.

· Если опора или подвес вместе с телом будут двигаться вниз равноускоренно или вверх равнозамедленно (ускорение в обоих случаях направлено вниз, а< 0), то

P = m (g-а ),

т.е. вес тела меньше силы тяжести Р < mg.

· При а = g. P =0, т.е. тело не давит на опору. Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называют невесомостью .

В состоянии невесомости находится любое свободно падающее тело. Чтобы испытать это состояние, достаточно совершить простой прыжок. После выключения двигателей, когда космический корабль выходит на орбиту вокруг Земли, его ускорение становится равным ускорению свободного падения, и космонавт в орбитальной космической станции будет находиться в состоянии равновесия.

Каждое находящееся на Земле тело массой m притягивается к Земле под действием силы тяготения, направленной к центру ее и равной

(M - масса Земли, R - расстояние от тела до ее центра (вблизи поверх­ности Земли это расстояние прибли­зительно равно ее радиусу R 3).

Если это тело лежит на неподвижной опоре, то на него действует две силы: сила реакции опоры N и сила тяготения F. Эти две силы дают равнодействующую силу F n , направленную перпендикулярно оси враще­ния (рис. 1.17):

Равнодействующая сила F n , согласно второму закону Ньютона, вы­зывает нормальное (центростремительное) ускорение ,т.е.

Учитывая, что υ= ωr, находим

Следовательно, F n , имеет максимальное значение на экваторе и F n =0 на полюсах. Поэтому во всех точках земной поверхности, кроме полюсов вес тела Р меньше силы тяготения F. Однако в ряде практических задач можно пренебречь суточным вращением Земли и считать, что вес тела Р равен силе тяготения.

Введение сил инерции упрощает и делает более наглядным решение целого ряда вопросов и задач о движении тел в неинерциальных системах. Получим сейчас уточненные выражения веса тела и ускорения силы тяжести (см. § 12).

Сила, с которой тело притягивается к Земле, называется силой тяжести, Вес тела равен силе, с которой неподвижное относительно Земли и находящееся в пустоте тело давит на горизонтальную опору или растягивает пружину вследствие притяжения к Земле.

Таким образом, вес тела равен силе тяжести; поэтому мы зачастую будем пользоваться этими терминами как равнозначными.

Если бы Земля не имела суточного вращения, то вес тела равнялся бы силе тяготения тела к Земле, определяемой по формуле (15). Благодаря суточному вращению Земли (в котором участвуют и все земные тела) на тело лежащее на земной поверхности, кроме силы тяготения направленной по радиусу к центру О Земли, действует центробежная сила инерции направленная по линии продолжения радиуса от оси вращения Земли (рис. 19). Разложим на две составляющие: в направлении радиуса в направлении, перпендикулярном Составляющая уравновешивается силой трения тела о земную поверхность; составляющая

противодействует силе тяготения тела к Земле. Поэтому сила притяжения тела к Земле, т. е. вес тела, выразится разностью силы тяготения и составляющей центробежной силы инерции

где географическая широта местонахождения тела. Учитывая формулы (15) и (20), получим

где масса тела, масса Земли, рад/с - угловая скорость суточного вращения Земли. Но поэтому

Из формулы (21) следует, что вес тела зависит от широты места: уменьшается от полюса к экватору благодаря увеличению в этом направлении (см. § 13). На полюсе

Так как ускорение силы тяжести то

Следовательно, ускорение силы тяжести также уменьшается от полюса к экватору. Правда, это уменьшение столь мало (не превышает что во многих практических расчетах его не учитывают.

С помощью сил инерции можно просто объяснить так называемое состояние невесомости. Тело, подверженное этому состоянию, не оказывает давления на опоры, даже находясь в соприкосновении с ними; при этом тело не испытывает деформации.

Состояние невесомости наступает в случае, когда на тело действует только сила тяготения, т. е. когда тело свободно движется в поле тяготения.

Это имеет место, например, в искусственном спутнике Земли, выведенном на орбиту и свободно движущемся в поле земного тяготения, т. е. вращающемся вокруг Земли (см. § 19).

При вращательном движении возникает, как мы уже знаем, центробежная сила инерции. Так как центробежная сила инерции, действующая на каждую частицу тела, находящегося в спутнике (и самого спутника), равна по величине и противоположна по направлению силе тяготения, действующей на соответствующую частицу, то эти силы взаимно уравновешиваются. В результате тело не подвергается деформации и не оказывает давления на стенки спутника (и другие возможные опоры), т. е. оно оказывается невесомым.

Невесомыми становятся и тела, находящиеся в космическом корабле, свободно (с выключенными двигателями) перемещающемся по любой траектории в безвоздушном пространстве в поле тяготения. Разумеется, что вместе со всеми телами, находящимися в корабле, становится невесомым и космонавт.

Физиологическое ощущение невесомости у космонавта выражается в отсутствии привычных напряжений и нагрузок, которые обусловлены силой тяжести. Прекращается деформация внутренних органов, исчезает постоянное напряжение ряда скелетных мышц, нарушается деятельность вестибулярного аппарата (обеспечивающего чувство равновесия человека), пропадает чувство «верха» и «низа», осложняется осуществление некоторых естественных функций организма. Столь привычные действия, как, например, выливание воды из сосуда, тоже вызывают затруднения: воду теперь приходится буквально вытряхивать из сосуда.

Для устранения перечисленных и других трудностей при длительном пребывании человека в космосе на космической станции предполагается создавать искусственную «весомость». С этой целью станцию будут конструировать в виде большого вращающегося диска с рабочими помещениями, расположенными на его периферии. Возникающая при этом центробежная сила инерции будет выполнять роль недостававшей силы тяготения.

С вращением Земли вокруг своей оси связано еще одно немаловажное явление: отклонение тел, движущихся по земной поверхности, от первоначального направления. Пусть тело массой двигаясь прямолинейно в северном полушарии, например вдоль меридиана, переместилось с широты которой соответствует линейная скорость вращения на широту которой соответствует скорость (рис. 20). Сохраняя по инерции свою первоначальную скорость вращения тело будет иметь на широте большую скорость вращения, чем находящаяся под ним земная поверхность. Иначе говоря, на широте тело приобретает ускорение относительно земной поверхности, направленное вправо перпендикулярно к перемещению тела. В результате тело отклонится вправо от первоначального (меридионального) направления движения и его траектория (относительно земной поверхности) окажется криволинейной.

Наблюдатель, связанный с вращающейся Землей (и потому не замечающий ее вращения), объяснит данное явление действием на тело некоторой силы инерции, направленной вправо перпендикулярно к скорости перемещения тела и равной по величине так. Эта сила получила название кориолисовой силы, или силы Кориолиса.

Сила Кориолиса действует только на движущиеся (относительно Земли) тела. Будучи перпендикулярной к скорости движения тела, она изменяет только направление, но не величину этой скорости; в северном полушарии кориолисова сила направлена вправо, в южном полушарии - влево. Во избежание недоразумений подчеркиваем, что сила Кориолиса возникает при любом (а не только при меридиональном) направлении движения тел.

Величина силы Кориолиса пропорциональна скорости движения тела, его массе и угловой скорости суточного вращения Земли. Поскольку угловая скорость вращения Земли невелика, сила Кориолиса может принимать большие значения и вызывать существенные отклонения только у тел, движущихся с большой скоростью (например, у находящихся в полете межконтинентальных баллистических ракет).

Если движение тел на земной поверхности ограничено (в боковом направлении) какой-либо связью, то тело будет давить на эту связь с силой, равной кориолисовой. При длительном воздействии сила Кориолиса, несмотря на ее сравнительно малую величину, вызывает заметный эффект. Благодаря ей реки северного полушария подмывают правые берега (закон Бера), а воздушные течения приобретают правое вращение (по часовой стрелке). Действием силы Кориолиса обусловлен и повышенный износ правого рельса железнодорожных путей в северном полушарии.

Задача 6. К сухожилию длиной см и диаметром подвесили груз При этом оно удлинилось до см. Определить модуль упругости сухожилия.

Решение. Сухожилие подвергается деформации одностороннего растяжения, поэтому, согласно формуле (12),

где площадь поперечного сечения, величина удлинения сухожилия.

Задача 7. Найти силу тяги развиваемую мотором автомобиля, движущегося в гору с ускорением (рис. 21). Уклон горы равен на каждые пути, масса автомобиля коэффициент трения

Решение. Выразим вес автомобиля:

Разложим его на две составляющие (рис. 21): силу скатывающую автомобиль с горы (параллельно поверхности горы), и силу прижимающую его к поверхности горы, т. е. силу нормального давления (перпендикулярна к поверхности горы).

Мотор движущегося в гору автомобиля должен преодолевать скатывающую силу и силу трения кроме того, он должен обеспечить автомобилю ускорение а. Поэтому сила тяги

Что такое невесомость? Парящие чашки, возможность летать и ходить по потолку, с легкостью перемещать даже самые массивные предметы — таково романтическое представление об этом физическом понятии.

Если спросить космонавта, что такое невесомость, он поведает, как сложно бывает в первую неделю на борту станции и как долго по возвращении приходится восстанавливаться, привыкая к условиям земного притяжения. Физик же, скорее всего, опустит подобные нюансы и с математической точностью раскроет понятие при помощи формул и цифр.

Определение

Начнем наше знакомство с явлением с раскрытия научной сути вопроса. Невесомость физика определяет как такое состояние тела, когда его движение или же внешние силы, воздействующие на него, не приводят к взаимному давлению частиц друг на друга. Последнее возникает всегда на нашей планете, когда какой-либо предмет перемещается или покоится: на него давит сила тяжести и противоположно направленная реакция поверхности, на которой объект расположен.

Исключение из этого правила — случаи то есть падения со скоростью, которое придает телу сила тяжести. В таком процессе отсутствует давление частиц друг на друга, появляется невесомость. Физика говорит, что на таком же принципе основано состояние, возникающее в космических кораблях и иногда в самолетах. Невесомость появляется в этих аппаратах, когда они движутся с постоянной скоростью в любом направлении и при этом находятся в состоянии свободного падения. Искусственный спутник или доставляется на орбиту при помощи ракеты-носителя. Она придает им определенную скорость, которая сохраняется после выключения аппаратом собственных двигателей. Корабль при этом начинает перемещаться только под действием силы тяжести и возникает невесомость.

Дома

Последствия полетов для астронавтов этим не ограничиваются. После возвращения на Землю им приходится в течение некоторого времени адаптироваться обратно к силе тяжести. Что такое невесомость для космонавта, завершившего полет? Прежде всего это привычка. Сознание еще какой-то период отказывается принять факт наличия силы тяжести. В результате нередки случаи, когда космонавт вместо того, чтобы поставить чашку на стол, просто отпускал ее и осознавал ошибку, только услышав звон разбитой об пол посуды.

Питание

Одна из непростых и одновременно интересных задач для организаторов пилотируемых полетов — обеспечение космонавтов легко усваиваемой организмом под воздействием невесомости едой в удобной форме. Первые опыты не вызывали особого энтузиазма среди членов экипажей. Показателен в этом плане случай, когда американский астронавт Джон Янг вопреки строгим запретам пронес на борт сэндвич, есть который, правда, не стали, чтобы не нарушать устав еще больше.

На сегодняшний день с разнообразием на проблем нет. Перечень блюд, доступных для российских космонавтов, насчитывает 250 пунктов. Иногда грузовой корабль, стартующий к станции, доставляет свежее блюдо, заказанное кем-то из команды.

Основу рациона составляют Все жидкие блюда, напитки, а также пюре упаковываются в алюминиевые тубы. Тара и оболочка продуктов продумывается таким образом, чтобы избежать появления крошек, парящих в невесомости и могущих попасть кому-то в глаз. Например, печенье делается достаточно маленьким и покрытым оболочкой, тающей во рту.

Знакомая обстановка

На станциях, подобных МКС, все условия стараются довести до привычных земных. Это и национальные блюда в меню, и необходимое как для функционирования организма, так и для нормальной работы аппаратуры движение воздуха, и даже обозначение пола и потолка. Последнее имеет, скорее, психологическую значимость. Космонавту в невесомости все равно, в каком положении работать, однако выделение условного пола и потолка снижает риск потери ориентации и способствует более быстрой адаптации.

Невесомость — одна из тех причин, почему в космонавты берут далеко не всех. Адаптация по прибытии на станцию и после возвращения на Землю сравнима с акклиматизацией, усиленной в несколько раз. Человек со слабым здоровьем такой нагрузки может не выдержать.

Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.

Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.

Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.

spaceref.com Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.

Вот поэтому совершенно неправильно говорить об отсутствии земной гравитации или о наличии «микрогравитации» (как принято в англоязычных источниках) на орбите. Напротив, притяжение земли является одним из главных факторов возникающего на борту феномена невесомости.

Об истинной микрогравитации можно говорить лишь в применении к полетам в межпланетном и межзвездном пространстве. Вдали от крупного небесного тела действие сил притяжения отдаленных звезд и планет будет настолько слабым, что возникнет эффект невесомости. О том, как с этим бороться, мы не раз читали в фантастических романах. Космические станции в виде тора (баранки) станут раскручиваться вокруг центральной оси и создавать имитацию гравитации с помощью центробежной силы. Правда, чтобы создать эквивалент земного притяжения, придется задать тору диаметр более 200 м. Есть и другие проблемы, связанные с искусственной гравитацией. Так что все это дело отдаленного будущего.

О том факте, что в Космосе наблюдается невесомость, сегодня знает, пожалуй, даже маленький ребенок. Такому широкому распространению данного факта послужили многочисленные фантастические фильмы про Космос. Однако в действительности, почему в Космосе невесомость, знают немногие, и сегодня мы постараемся дать объяснение данному явлению.

Ошибочные гипотезы

Большинство людей, услышав вопрос о происхождении невесомости, легко дадут на него ответ, сказав, что такое состояние испытывается в Космосе по той причине, что сила притяжения там не действует на тела. И это будет в корне неверный ответ, поскольку в Космосе сила притяжения действует, и именно она удерживает все космические тела на своих местах, включая Землю и Луну, Марс и Венеру, которые неизбежно вращаются вокруг нашего естественного светила – Солнца.

Услышав, что ответ неверный, люди наверняка достанут из рукава другой козырь – отсутствие атмосферы, полный вакуум, наблюдаемый в Космосе. Однако и этот ответ не будет верным.

Почему в Космосе невесомость

Дело в том, что та невесомость, которую испытывают на себе космонавты, находящиеся на МКС, возникает по причине целой совокупности всевозможных факторов.

Причиной тому является то, что МКС вращается вокруг Земли по орбите с огромной скоростью, превышающей 28 тысяч километров в час. Такая скорость влияет на тот факт, что астронавтами на станции перестает ощущаться Земное притяжение, и относительно корабля создается ощущение невесомости. Все это и приводит к тому, что космонавты начинают передвигаться по станции именно так, как мы это видим в фантастических фильмах.

Как симулируют невесомость на Земле

Интересно, что состояние невесомости можно искусственно воссоздать в пределах Земной атмосферы, чем, кстати, успешно занимаются специалисты из НАСА.

На балансе NASA присутствует такое летательное средство, как Vomit Comet. Это вполне обычный аэроплан, который используется для тренировки астронавтов. Именно он способен воссоздавать условия пребывания в состоянии невесомости.

Сам процесс воссоздания подобных условий выглядит следующим образом:

1. Аэроплан резко набирает высоту, двигаясь по заранее запланированной параболической траектории.
2. Достигая верхней точки условной параболы, аэроплан начинает резкое движение вниз.
3. За счет резкого изменения траектории движения, а также устремления летательного аппарата вниз, все пребывающие на борту люди начинают находиться в условиях невесомости.
4. Достигая определенной точки снижения, аэроплан выравнивает свою траекторию, и повторяет процедуру полета, либо же садится на поверхность Земли.