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.
Весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре.
Невесомость - нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно от массивных объектов, которые могут притягивать его.
Международная Космическая Станция находится на расстоянии 350 км от Земли. На таком удалении ускорение свободного падения (g) составляет 8,8 м/с2, что всего на 10% меньше, чем на поверхности планеты.
На практике редко встретишь - гравитационное воздействие существует всегда. На космонавтов, находящихся на МКС, по-прежнему действует Земля, однако невесомость там присутствует.
Другой случай невесомости возникает, если сила тяжести компенсирована другими силами. Например, МКС подвержена силе тяжести, незначительно уменьшенной за счет расстояния, но также станция движется по круговой орбите с первой космической скоростью и центробежная сила компенсирует тяготение.
Невесомость на Земле
Явление невесомости возможно и на Земле. Под воздействием ускорения вес тела может уменьшаться, и даже становится отрицательным. Классический пример, который приводят физики - падающий лифт.
Если лифт движется вниз с ускорением, то давление на пол лифта, а, следовательно, и вес, будет уменьшатся. Причем если ускорение равно ускорению свободного падения, то есть лифт падает, вес тел станет нулевым.
Отрицательный вес наблюдается, если ускорение движения лифта превысит ускорение свободного падения - тела находящиеся внутри «прилипнут» к потолку кабины.
Этот эффект широко применяется для симуляции невесомости при подготовке космонавтов. Самолет, оборудованный камерой для тренировок, поднимается на значительную высоту. После чего пикирует вниз по баллистической траектории, по сути, у поверхности земли машина выравнивается. При пикировании с 11 тысяч метров можно получить 40 секунд невесомости, которыми и пользуются для тренировок.
Существует заблуждение, что подобные выполняют сложные фигуры, наподобие «петли Нестерова», для получения невесомости. На самом деле для тренировок используются доработанные серийные пассажирские самолеты, которые неспособны на сложные маневры.
Физическое выражение
Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий самолет, имеет следующий вид:
где m – масса тела,
g – ускорение свободного падения,
a – ускорение опоры.
При равенстве g и a, P=0, то есть достигается невесомость.
Весом тела называют силу, с которой тело вследствие притяжения Землёй давит на неподвижную (относительно Земли) горизонтальную подставку или натягивает нить подвеса. Вес тела равен силе тяжести.
Поскольку опора или подвес в свою очередь действуют на тело, то характерный признак весомости - наличие в теле деформаций, вызванных его взаимодействием с опорой или подвесом.
При свободном падении тел деформации в них отсутствуют, тела в этом случае находятся в состоянии невесомости . На рисунке изображена установка, с помощью которой можно это обнаружить. Установка состоит из пружинных весов, к которым подвешен груз. Вся установка может двигаться по направляющим вниз и вверх.
Если весы с грузом свободно падают, то указатель весов стоит на нуле, значит, пружина весов при этом не деформирована.
Разберём это явление, пользуясь законами движения. Допустим, что груз, подвешенный на пружине, движется вниз с ускорением а. На основании второго закона Ньютона мы можем сказать, что на него действует сила, которая равна разности сил Р и F, где Р - сила тяжести, a F - сила упругости пружины, приложенные к грузу. Итак,
ma = Р - F или ma = mg - F
F = m (g - a)
При свободном падении груза а = g и, следовательно,
F - m (g - а) = 0
Это указывает на отсутствие в пружине (и в грузе) упругих деформаций.
Состояние невесомости имеет место не только при свободном падении, но и при любом свободном полёте тела, когда на него действует только одна сила тяжести. В этом случае частицы тела не действуют на опору или подвес и не получают под влиянием тяготения к Земле ускорения относительно этой опоры или подвеса.
Если установку, изображённую на рисунке, резким рывком за верёвку заставить свободно двигаться вверх, то указатель весов при таком движении будет стоять на нуле. И в этом случае весы и груз, двигаясь вверх с одинаковым ускорением, не взаимодействуют друг с другом.
Итак, если на тела действует лишь одна сила тяжести, то они находятся в состоянии невесомости, характерный признак которого - отсутствие у них деформаций и внутренних напряжений.
Состояние невесомости не следует смешивать с состоянием тела, находящегося под действием уравновешенных сил. Так, если тело находится внутри жидкости, вес которой в объёме тела равен весу тела, то сила тяжести уравновешивается выталкивающей силой, Но тело будет давить на жидкость (как на опору), вследствие чего напряжения, вызванные в нём силой тяжести, не исчезнут, а значит, оно не будет находиться в состоянии невесомости.
Рассмотрим теперь невесомость тел на искусственных спутниках Земли. При свободном полёте спутника по орбите вокруг Земли сам спутник и все тела, находящиеся на нём, в системе отсчёта, связанной с центром массы Земли или с «неподвижными» звёздами, движутся с одинаковым в каждый данный момент времени ускорением. Величина этого ускорения определяется действующими на них силами тяготения к Земле (силы тяготения к другим космическим телам можно не учитывать, они очень малы). От массы тела, как мы видели, это ускорение не зависит. При этих условиях между спутником и всеми находящимися на нём телами (а также и между их частицами), взаимодействия, обусловленного тяготением к Земле, не будет. Это значит, что при свободном полёте спутника все находящиеся в нём тела будут в состоянии невесомости.
Не закреплённые в корабле-спутнике тела, сам космонавт свободно парят внутри спутника; жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде; отвесы (и маятники) покоятся в любом положении, в котором их остановили.
Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в наклонном положении, не требуется никакого усилия. У него исчезает представление о том, где «верх» и где «низ».
Если сообщить какому-нибудь телу скорость относительно кабины спутника, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно, пока не столкнётся с другими телами.
Чтобы ликвидировать возможные опасные последствия действия состояния невесомости на жизнедеятельность живых организмов, и прежде всего человека, учёные разрабатывают различные способы создания искусственной «тяжести», например путём придания, будущим межпланетным станциям вращательного движения вокруг центра тяжести. Сила упругости стенок будет создавать необходимое центростремительное ускорение , и вызывать деформации в соприкасающихся с ними телах, подобные тем, которые они имели в условиях Земли.
Возникают взаимные давления частиц тела друг на друга. организм воспринимает такие давления как ощущение весомости. результат имеет место для тела, которое находится в лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением a ¹ g, где g - свободного падения. Но при а = g тело (все его частицы) и совершают свободное и никаких взаимных давлений друг на друга не оказывают; в результате здесь имеет место Н. При этом на все частицы тела, находящегося в состоянии Н., силы тяжести действуют, но нет внешних сил, приложенных к поверхности тела (например, реакций опоры), которые могли бы вызвать взаимные давления частиц на друга. Подобное же явление наблюдается для тел, помещенных в искусственном спутнике Земли (или космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив вместе со спутником соответствующую начальную , движутся под действием сил тяготения своих орбит с равными ускорениями, как свободные, не оказывая взаимных давлений друг на друга, т. е. находятся в состоянии Н. Как и на тело в лифте, на них действует сила тяготения, но нет внешних сил, приложенных к поверхностям тел, которые могли бы вызвать взаимные давления тел или их частиц друг на друга.
Вообще под действием внешних сил будет в состоянии Н., : а) действующие внешние силы являются массовыми (силы тяготения); б) поле этих массовых сил локально однородно, т. е. силы сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно). Т. о., любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии Н. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел.
Вследствие значительного отличия условий Н. от земных условий, в которых создаются и отлаживаются и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет-носителей, проблема Н. занимает важное др. проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД, рассчитанные на многократное включение в условиях космического полёта. В условиях Н. может произвольное в ёмкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях Н. применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей (например, на АМС «Маринер»); части жидкости у заборного устройства системой сеток (ракетная «Аджена»); кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. специальных приёмов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях Н. в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения , в топливных элементах системы энергопитания (например, конденсата системой пористых фитилей, жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космических аппаратов (для открытия солнечных батарей, антенн, для стыковки и т. п.) рассчитываются на работу в условиях Н.
Н. может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всём объёме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счёт сил поверхностного натяжения и др.). по сварке различных материалов в условиях Н. и вакуума был осуществлен при полёте советского космического корабля « -6» (1969). Ряд технологических (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т. п.) был проведён на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973).
Особенно существенно учитывать своеобразие условий Н. при полёте обитаемых космических кораблей: условия жизни человека в состоянии Н. резко отличаются от привычных земных, что вызывает изменения ряда его жизненных функций. Так, Н. ставит центральную нервную систему и многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому Н. рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полёта. Ответом на раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности Н. и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.
С наступлением состояния Н. у некоторых космонавтов возникают вестибулярные расстройства. Длительное сохраняется чувство тяжести в области (за счёт усиленного притока крови к ней). Вместе с тем к Н. происходит, как правило, без серьёзных осложнений: в Н. сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие , в том числе те из них, которые требуют координации или затрат энергии. Двигательная активность в состоянии Н. требует меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости. Если в полёте не применялись средства профилактики, то в первые и сутки после приземления (период реадаптации к земным условиям) у человека, совершившего космический полёт, наблюдается следующий изменений. 1) Нарушение вертикальную позу в статике и динамике; тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжёлые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий). 2) Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния перехода из горизонтального положения в вертикальное (ортостатические пробы). 3) Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена , что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объёма циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция. 4) Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках. 5) Снижение иммунобиологической резистентности. 6) Вестибуло-вегетативные расстройства. Все эти сдвиги, вызванные Н., - обратимы. Ускоренное восстановление нормальных функций может быть достигнуто с помощью физиотерапии и лечебной физкультуры, а также применением лекарственных препаратов. Неблагоприятное Н. на организм человека в полёте можно или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная , электростимуляция мышц, отрицательное , приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства). В полёте продолжительностью около 2 месяцев (
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.