Вес тела. Невесомость. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость

Весом тела Рназывают 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

(2.9)

(M — масса Земли, R — расстояние от тела до ее центра (вблизи поверх­ности Земли это расстояние прибли­зительно равно ее радиусу R₃).

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):

[F_n — сила, действующая на тело, движущееся по окружности, плоскость которой перпендикулярна оси вращения Земли].

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

(2.10)

Учитывая, что υ= ωr, находим

. (2.11)

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:

(2.12)