Способы изменения веса физика

10 класс

§ 19. Вес тела. Невесомость. Перегрузки

Вес тела.

Если тело лежит на опоре, то вследствие притяжения Землёй оно давит на опору. По этой же причине подвешенное тело растягивает подвес.

Силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес, называют весом тела.

Рассмотрим случай, когда тело и опора неподвижны или движутся без ускорения.

Пусть тело А находится на горизонтальной опоре В (рис. 3.42).

На него действует сила тяжести m и сила реакции опоры . Но если опора действует на тело с силой , то и тело действует на опору с силой (вес тела). Она в соответствии с третьим законом Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе :

Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно (т. е. без ускорения), то, согласно второму закону Ньютона,

+m = 0.

C учётом того, что = — , — + m = 0,

Таким образом, если ускорение = 0, то вес тела равен по модулю силе тяжести. Однако следует иметь в виду, что сила тяжести приложена к телу, а вес — к опоре или подвесу.

Природа силы тяжести и веса тоже различна. Сила тяжести является результатом взаимодействия тела и Земли (сила тяготения), а вес появляется в результате взаимодействия тела А и опоры В. Опора В и тело А при этом деформируются, что приводит к появлению сил упругости. Поэтому вес тела (как и сила реакции опоры) является одним из видов силы упругости.

Рассмотрим теперь случай, когда тело и подвес (опора) движутся относительно Земли с ускорением.

Пусть тело находится в кабине лифта, движущегося с ускорением (рис. 3.43, а, б).

Согласно второму закону Ньютона

где N — сила реакции опоры (пола лифта); m — масса тела.

По третьему закону Ньютона вес тела P ≡ -N, поэтому, учитывая выражение (2), получим = — ,

Направим координатную ось OY системы отсчёта, связанной с Землёй, вертикально вниз. Тогда проекция веса тела на эту ось будет равна

Векторы и сонаправлены с осью координат OY, поэтому P_y = P и g_y = g. Если ускорение направлено вниз (см. рис. 3.43, а), то α_y = α, и равенство (3) примет следующий вид:

Из формулы (4) следует, что лишь при α = 0 вес тела равен по модулю силе тяжести. При α ≠ 0 модуль веса тела отличается от модуля силы тяжести. При движении лифта с ускорением, направленным вниз (например, в начале спуска лифта или в процессе его остановки при движении вверх) и по модулю меньшим ускорения свободного падения (α 1 . Тренированный человек способен кратковременно выдерживать примерно шестикратную перегрузку. Следовательно, ускорение космического корабля, согласно формуле (5), не должно превышать 5g.

1 Часто перегрузку указывают в единицах ускорения свободного падения g. Перегрузка в 1g численно равна весу тела, покоящемуся в поле тяжести Земли. Перегрузку в 0g испытывает тело, находящееся в состоянии невесомости.

Вопросы:

1. Какую силу называют весом тела?

2. Как соотносятся между собой модуль веса тела и модуль силы тяжести, действующей на тело в случае, если:

а) тело и опора неподвижны или движутся без ускорения;

б) опора (или подвес) совершает ускоренное движение?

Вопросы для обсуждения:

1. Можно ли на искусственном спутнике Земли определить массу тела с помощью рычажных весов и гирь?

2. Человек с гирей массой 16 кг в руках прыгает со стула. Сколько весит гиря во время падения?

3. На каком этапе движения космического корабля (подъём, движение по орбите, спуск) космонавт ощущает состояние невесомости?

Пример решения задачи

Лифт равноускоренно опускается и за первые 10 с проходит путь, равный 10 м. На сколько уменьшится вес пассажира массой 70 кг, находящегося в этом лифте? За какое время лифт пройдёт эти же первые 10 м пути, если будет двигаться так, что пассажир будет находиться в состоянии невесомости?

В проекции на координатную ось OY уравнение движения примет вид:

Найдём ускорение лифта с помощью кинематического уравнения:

По третьему закону Ньютона:

∣ ∣ = ∣ ∣ ⇒ P = mg — mα = m(g — α).

Найдём изменение веса пассажира:

Подставляя числовые данные, получим:

В случае невесомости P = 0 ⇒ α = g.

При этом лифт должен двигаться с ускорением g, направленным вниз. Определим время t₂, за которое лифт пройдёт первые 10 м пути на основе кинематичского уравнения:

Ответ: ΔP = 14 H, t₂ ≈ 1.43 с.

Упражнения:

1. Девушка массой 50 кг стоит на платформе. Чему равен вес девушки, если платформа движется:

б) с ускорением 2 м/с 2 , направленным вверх;

в) с ускорением 2 м/с 2 , направленным вниз?

2. Груз массой 150 кг лежит на дне кабины лифта. Определите модуль и направление ускорения лифта, если груз давит на дно кабины с силой, равной:

Источник

Вес тела в физике — формулы и определения с примерами

Содержание:

Вес тела:

Множество тел на Земле находятся в состоянии покоя относительно ее поверхности. Почему же тела, на которые всегда действует сила тяготения, не изменяют своего положения и скорости под действием этой силы?

Ответ на этот вопрос найдем при проведении опыта. С этой целью положим линейку на две подставки и поставим на нее груз (рис. 48). Линейка деформируется. Следовательно, груз подействовал на линейку и изменил ее форму, деформировал. А при деформации возникла сила упругости, которая уравновесила силу тяготения, и груз прекратил движение к Земле.

Закрепим в штативе резиновую нить, а к ее концу прикрепим шарик. Если отпустим шарик, то он начнет двигаться вниз и будет растягивать нить до тех пор, пока сила упругости не уравновесит силу тяготения.

В обоих случаях на груз и шарик действовала сила тяготения, поэтому они, в свою очередь, действовали на линейку или резиновую нить.

Что такое вес тела

Силу, с которой тело действует на опору или подвес, называют весом тела.

Вес зависит от механического состояния тела. Если тело неподвижно относительно опоры или подвеса или движется равномерно и прямолинейно, то вес по значению и направлению совпадает с силой тяготения.

Для этого случая можно записать, что

Однако между этими силами есть и существенные различия. Так, они приложены к различным телам. Если сила тяготения приложена к данному телу, то вес приложен к опоре или подвесу (рис. 49, 50).

Отличия проявляются и тогда, когда тело и опора свободно падают под действием силы тяготения. В этом случае вес исчезает и возникает состояние невесомости.

Такую особенность веса можно наблюдать в сравнительно простых опытах. Повесим на нити, закрепленной в штативе, металлический динамометр, к крючку которого прикреплены грузы. Стрелка покажет определенное значение веса грузов. Теперь перережем нить -динамометр с грузом начнет падать. В момент падения стрелка динамометра сместится на деление «ноль» (рис. 51). Таким образом, при свободном падении тела вес тела исчезает, возникает состояние невесомости.

Невесомость ощущают пилоты и космонавты. Если космический корабль движется вокруг Земли, то он все время как бы падает на Землю и все тела в его кабине теряют вес (рис. 52). В таких условиях много обычных явлений происходит своеобразно. Так, вода вне сосуда приобретает шарообразную форму и свободно плавает в пространстве. Брошенный предмет будет двигаться от стенки к стенке прямолинейно, не останавливаясь.

Вес и невесомость

Вес — это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. Вес тела обозначается буквой Точка приложения веса находится на опоре (или подвесе). Вес направлен перпендикулярно поверхности опоры или вдоль подвеса. В зависимости от состояния тела его вес может изменяться или оставаться неизменным.

Случай, когда вес тела не меняется

Если тело находится в состоянии покоя или движется прямолинейно равномерно по горизонтальной поверхности, то его вес не изменяется. Почему?

Согласно III закону Ньютона, вес тела действует на опору и равен по модулю и противоположен по направлению силе реакции опоры Сила реакции приложена к самому телу (b): (для удобства точка приложения силы реакции опоры смещается в центр тела).

Если тело на подвесе находится в состоянии покоя или вместе с подвесом движется прямолинейно равномерно, то, согласно III закону Ньютона, вес этого тела, действующий на подвес, равен по модулю и направлен противоположно силе натяжения нити Сила натяжения прикладывается к самому телу (см: b):

Согласно II закону Ньютона, уравнение движения для тела, находящегося в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения на горизонтальной опоре, записывается в виде:

Принимая во внимание, что результирующая сила равна векторной сумме силы тяжести и силы реакции опоры, уравнение движения примет вид:

Для решения уравнения выбирается ось координат, определяются проекции векторов сил на эту ось и, приняв во внимание знак проекций, записывают их в уравнение. За положительное направление оси выбирается направление действия силы тяжести (см: b). Учитывая значения проекций сил на эту ось и равенство нулю ускорения тела в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, получим уравнение движения тела в следующем виде:

Отсюда видно, что вес тела, находящегося в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, численно равен модулю силы тяжести:

Случай, когда вес тела меняется

Если тело вместе с опорой (или с подвесом) движется с ускорением в вертикальном направлении, то, в зависимости от направления движения, вес тела увеличивается или уменьшается.

Предположим, что тело вместе с опорой движется вертикально вверх с ускорением то есть движется в направлении, противоположном направлению действия силы тяжести. Уравнение движения тела в векторной форме остается без изменения:

Если направить координатную ось вдоль направления движения (с), получим:

Отсюда видно, что вес тела, движущегося вместе с опорой вертикально вверх с ускорением увеличивается. Такое состояние тела называется перегрузкой:

Ясно, что если тело вместе с опорой будет двигаться в направлении действия силы тяжести, то его вес уменьшится:

Случай, когда вес тела равен нулю — невесомость

Если тело движется только под действием гравитационной силы, то есть его ускорение будет равно ускорению свободного падения то вес тела будет равен нулю. Такое состояние тела называется невесомостью:

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика Атомная физика Ядерная физика Квантовая физика Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Закон всемирного тяготения
• Свободное падение тела
• Равнодействующая сила и движение тела под действием нескольких сил
• Сила давления в физике и единицы давления
• Сила упругости в физике и закон Гука
• Деформация в физике
• Плотность вещества в физике
• Сила трения в физике

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник