Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 3.11. Невесомость и перегрузки

• Можно ли увеличить или уменьшить вес тела, не изменял самого тела? Оказывается, да. Рассмотрим, как это происходит.

Вес тела при движении опоры или подвеса с ускорением

Пусть тело находится в кабине лифта, движущегося с ускорением а (рис. 3.26, а, б). Согласно второму закону Ньютона

где N — сила реакции опоры (пола лифта), т — масса тела.

Рис. 3.26

По третьему закону Ньютона вес тела Р = -N, поэтому, учитывая (3.11.1), получим

Направим координатную ось У системы отсчета, связанной с Землей, вертикально вниз. Тогда проекция веса тела на эту ось будет равна

Так как векторы u сонаправлены с осью координат У, то Р_y = Р и g_y = g. Если ускорение а направлено вниз (рис. 3.26, а), то a_y = а, и равенство (3.11.3) принимает следующий вид:

Из формулы (3.11.4) следует, что лишь при а = 0 вес тела равен силе тяжести. При а ≠ 0 вес тела отличается от 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, вес тела меньше силы тяжести. Следовательно, в этом случае вес тела меньше веса того же тела, если оно находится на покоящейся или равномерно движущейся опоре (подвесе). По этой же причине вес тела на экваторе меньше, чем на полюсах Земли, так как вследствие суточного вращения Земли тело на экваторе движется с центростремительным ускорением.

Невесомость

При свободном падении лифта а = и Р = m(g - g) = 0. Это означает, что наступило состояние невесомости. Тела не давят на опоры, и на них не действуют силы реакций опор. В этом случае и тело, и опора не деформированы. Создается впечатление исчезновения притяжения к Земле. Хотя на самом деле это не так, Земля притягивает и тело, и опору, сообщая им одинаковое ускорение свободного падения g. Поэтому тело не давит на опору. Любое тело находится в состоянии невесомости, если на него действуют только силы тяготения. В таких условиях находятся свободно падающие тела, например тела в космическом корабле. Ведь и космический корабль, и тела в нем тоже находятся в состоянии длительного свободного падения. Впрочем, в состоянии невесомости, хотя и непродолжительно, находится каждый из вас, спрыгивая со стула на пол или подпрыгивая вверх.

Перегрузки

Рассмотрим теперь, что произойдет, если лифт движется с ускорением а, направленным вертикально вверх (рис. 3.26, б). В данном случае вместо равенства (3.11.4) будем иметь равенство

Вес тела в лифте, движущемся с ускорением, направленным вертикально вверх, больше веса покоящегося тела. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры (или подвеса), называется перегрузкой. Перегрузку можно оценить, найдя отношение веса ускоренно движущегося тела к весу покоящегося тела:

Тренированный человек способен кратковременно выдерживать примерно шестикратную перегрузку. Значит, ускорение космического корабля, согласно формуле (3.11.6), не должно превосходить пятикратного значения ускорения свободного падения.

Вес тела зависит от ускорения опоры, на которой оно стоит, или ускорения подвеса, на котором оно висит. При свободном падении наступает невесомость.

Вопросы для самопроверки

1. Как измерить массу тела в условиях невесомости?
2. Можно ли на спутнике определить массу тела с помощью рычажных весов и гирь?