Вес тела

На этом уроке вы:

• узнаете различие между понятиями «сила тяжести» и «вес тела»;
• выясните, какое состояние называют невесомостью.

Ключевые слова: вес тела, сила реакции опоры, невесомость.

В повседневной жизни часто используют понятие «вес тела». Что означает в физике это понятие?

Рассмотрим пример. Тело, находящееся на горизонтальной опоре, взаимодействует с опорой. Из-за этого взаимодействия возникает пара сил, равных по модулю и противоположно направленных. Эти силы действуют вдоль одной прямой и приложены одна к телу, другая к опоре (рис. 16.1). Причиной возникновения этих сил является сила тяжести, действующая на тело. Сила тяжести, действующая на тело, подвешенное на нити, также порождает пару сил. Одна из этой пары действует на нить со стороны тела, а другая — на тело со стороны нити (рис. 16.2).

Рис. 16.1

Рис. 16.2

Сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или растягивает подвес, называется весом тела.

Вес тела принято обозначать буквой $\vec{P}$. Измеряется вес, как и любая другая сила, в ньютонах (Н).

Сила упругости, с которой опора действует на тело, называется силой реакции опоры.

Силу реакции опоры принято обозначать буквой $\vec{N}$. Измеряется сила реакции опоры в ньютонах (Н). Численно сила реакции опоры равна весу тела.

Сила упругости, действующая со стороны нити на тело, подвешенное на ней, называется силой натяжения нити. Силу натяжения нити обозначают буквой $\vec{T}$. Она тоже измеряется в ньютонах (Н).

Что происходит с телами при этих взаимодействиях?

Тело, находящееся на опоре, деформирует ее из-за того, что тело притягивается к Земле. При деформации в опоре возникает сила упругости, не позволяющая телу двигаться вниз. Со стороны опоры на наше тело будет действовать сила, направленная вертикально вверх, — это и есть сила реакции опоры. Так как эти силы возникают при деформациях, то это означает, что их природа электромагнитная.

В случае, когда тело покоится на горизонтальной опоре, сила реакции опоры численно равна силе тяжести, действующей на тело (рис. 16.1), т. е. $mg = N$.

В то же время сила реакции опоры численно равна весу тела, как результат взаимодействия тела с опорой, поэтому в этом случае

$$P = N = mg.$$

Обратите внимание! Нельзя путать вес тела и силу тяжести. Сила тяжести возникает из-за взаимодействия тела с Землей и приложена к самому телу, т. е. сила тяжести $\vec{F}_{тяж.}$ всегда действует на тело. Вес тела приложен к опоре или подвесу, т. е. вес тела $\vec{P}$ действует на опору или подвес.

Перегрузка. Невесомость. Вес тела не имеет постоянного значения. Он может изменяться в зависимости от условий, в которых находится тело.

Если тело вместе с опорой движется в направлении действия силы тяжести неравномерно, то соотношение между силой тяжести и весом изменится. В этом случае вес тела может быть больше или меньше силы тяжести. Так, например, при старте ракеты, выводящей космический корабль на орбиту, вес космонавтов увеличивается, и они испытывают перегрузки.

Знаете ли вы? Космонавты тренируются на особых тренажерах, которые называются центрифугами. С их помощью можно создать перегрузки, которые возникают при старте космического корабля, и даже больше. Тренированный человек выдерживает перегрузки, при которых его вес увеличивается в 5—6 раз.

Состояние перегрузки, хотя и кратковременное, каждый из вас испытывает, например поднимаясь в лифте, движущемся с ускорением вверх, или в автомобиле, проезжающем середину вогнутого моста. Уменьшение веса космонавты испытывают при торможении приземляющегося космического корабля. Каждый из вас может испытать уменьшение веса в лифте, начинающем спуск; в автомобиле, проезжающем середину выпуклого моста, и т. п.

Особое значение имеет свободное падение тела. Состояние тела, при котором его вес становится равным нулю, называют невесомостью. В состоянии невесомости тело не давит на опору и на него не действует сила реакции опоры. На тело действует только сила тяжести.

В состоянии невесомости пребывают космонавты во время полета вокруг Земли. Состояние невесомости, хотя и непродолжительное, могут испытать пловец во время прыжка с вышки в воду, парашютист в первые моменты своего падения, прыгун с трамплина.

Вопросы

1. Что вы понимаете под весом тела?
2. В чем различие между понятиями «сила тяжести» и «вес тела»?
3. Может ли сила тяжести быть равной весу тела?
4. Какая сила называется силой реакции опоры?
5. Какое состояние называется невесомостью? Приведите примеры.
6. Какое состояние называется перегрузкой?
7. Может ли наблюдаться такая ситуация у тела массой 2 кг, сила тяжести которого равна 20 Н, а вес равен 0 Н.

Пример решения задачи

Задача. Определите силу, с которой стальное ведро массой 500 г, объемом 12 л, полностью заполненное водой, давит на опору.

Дано:	СИ
$m_1 = 500$ г	0,5 кг
$V_2 = 12$ л	$12 \cdot 10^{-3}$ м³
$\rho_1 = 7800$ кг/м³
$\rho_2 = 1000$ кг/м³
$g = 9{,}8$ Н/кг
Найти: $P$ — ?

Решение. Сила, с которой полное ведро действует на опору, т. е. его вес, равна силе тяжести, действующей на ведро с водой. Считаем, что ведро находится на горизонтальной поверхности, так как оно полностью заполнено водой.

Сила тяжести равна сумме силы тяжести, действующей на ведро и равной: $F_{тяж.1} = m_1 g$, и силы тяжести, действующей на воду, налитую в ведро, равной $F_{тяж.2} = m_2 g = \rho_2 V_2 g$, т. е. $F_{тяж.} = m_1 g + \rho_2 V_2 g$.

$$F_{тяж.} = 0{,}5\ \text{кг} \cdot 9{,}8\ \tfrac{\text{Н}}{\text{кг}} + 10^3\ \tfrac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 12 \cdot 10^{-3}\ \text{м}^3 \cdot 9{,}8\ \tfrac{\text{Н}}{\text{кг}} = 122{,}5\ \text{Н}.$$

Тогда вес тела равен: $P = F_{тяж.}$, или $P = 122{,}5$ Н.

Ответ: $P = 122{,}5$ Н.

Творческая мастерская

Экспериментируйте. Возьмите лист картона и небольшой мешочек с сыпучим содержимым (песок, соль, крупа и др.). Положите лист картона на две книги, как показано на рисунке 16.3, а. На середину листа картона положите мешочек с содержимым. Обратите внимание на изменение формы картона и мешочка (рис. 16.3, б). Ответьте на вопросы:

• Что произошло в результате взаимодействия мешочка с картоном?
• Какие силы возникли в картоне и мешочке с песком в результате их взаимодействия?
• К какому телу приложена сила упругости картона и сила упругости мешочка с песком?

Рис. 16.3

Объясните. Объясните, каким образом возникают сила реакции опоры, сила натяжения нити и вес тела?

Познай себя. Что происходит с весом человека, летящего в самолете, когда самолет попадает в воздушную яму? Какие ощущения в организме помогут это почувствовать?

Анализируйте.

1. Есть ли вес у орла, который парит в воздухе? А у орла, сидящего на ветке дерева?
2. Одинаков ли вес космической станции на Земле и когда она вращается вокруг Земли?
3. Через ручей перекинута прочная легкая доска (рис. 16.4). Какие изменения произойдут с доской, если на нее встанет мальчик? Какие возникнут силы?

Рис. 16.4

4. Между двумя телами действует сила всемирного тяготения. Если массу одного из тел увеличить вдвое, а расстояние между телами сохранить прежним, то изменится ли сила тяготения между ними? Если изменится, то как?
5. Просмотрите видео через QR-код и сделайте свои выводы.

Решите.

1. Подвешенная к потолку люстра действует на потолок с силой 50 Н. Какова масса люстры? Ответ: 5 кг.
2. Айсар собрал в корзину 50 яблок и взвесил ее. Если показания динамометра равны 300 Н, то какова средняя масса яблока? Вес корзины 50 Н. Ответ: 0,5 кг.
3. Самая крупная в мире птица — африканский страус; его масса достигает 90 кг. Самая маленькая в мире птица — колибри, масса которой 2 г. Сравните силы тяжести, действующие на них. Какая из них больше и во сколько раз? Ответ: $m_т / m_к = 45\,000$.
4. На медный шар объемом 120 см³ действует сила тяжести 8,9 Н. Сплошной этот шар или имеет внутри полость? Если есть полость, то каков ее объем? Ответ: 20 см³.