Силу тяжести с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела . Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Также вес можно определить как реакцию опоры. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса . Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис. 1.11.1). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной . На тело действуют сила тяжести

направленная вертикально вниз, и сила упругости

с которой опора действует на тело. Силу называют силой нормального давления или силой реакции опоры . Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга:

В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону:

По определению, сила и называется весом тела.

Из приведенных выше соотношений видно, что

т. е. вес тела равен силе тяжести

Но эти силы приложены к разным телам!

Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы , сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).

Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести и сила реакции опоры но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона

Сила действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть

Пусть вектор ускорения направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для можно переписать в скалярной форме:

В этой формуле величины P , g и a следует рассматривать как проекции векторов , и на ось OY . Так как эта ось направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения направлен вертикально вниз, тогда a > 0 (рис. 1.11.2).

Из формулы (*) видно, что если a < g , то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g , то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g , то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью . Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите при выключенных реактивных двигателях.

Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис. 1.11.3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой . Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.

Более подробно о том, что это такое и где его можно ощутить, и пойдёт речь в этой статье.

Статическая

Существуют два типа невесомости. Это статическая — наблюдается при удалении от объекта с большой массой. Например, тело, улетевшее на значительное расстояние от планеты. Следует при этом понимать, что его вес полностью не исчезает.

Дело в том, что гравитация от массивных объектов, таких как планеты и звезды, хоть и уменьшается с расстоянием, но полностью не исчезает. Действие её распространяется бесконечно далеко во все уголки Вселенной, обратно пропорционально квадрату расстояния. Это следует из определения невесомости.

Таким образом, выйти из зоны действия гравитационного поля невозможно.

Динамическая

Другой тип невесомости — это динамическая. Ее постоянно испытывают космонавты и лётчики. Нивелировать действие гравитационного поля массивного объекта можно путем свободного падения на него. Для этого необходимо, чтобы объект набрал определённую скорость и стал спутником.

Набрав необходимую скорость, спутник начинает переходить в состояние постоянного свободного падения. Предметы внутри него будут находиться в состоянии невесомости. Такая скорость называется первой космической.

Для планеты Земля, например, скорость составляет порядка 8 километров в секунду. Для Солнца — уже 640. Все зависит от массы объекта и его плотности. В таких где плотность достигает сотни миллионов тонн на кубический сантиметр — космическая скорость приближается к скорости света.

Невесомость на Земле

Оказывается, испытать состояние невесомости можно, не покидая пределы планеты. Правда, на очень короткий период. Например, пассажир автомобиля, едущего по выгнутому мосту, испытает невесомость на некоторое время в верхней части выпуклости моста.

Пассажиры, едущие в общественном транспорте по ухабистой дороге, постоянно испытывают действие невесомости каждый раз, как автобус наезжает на яму или кочку. На короткий промежуток времени они находятся в состоянии свободного падения.

Развлечение

В последнее время в сфере индустрии развлечений появились специальные полигоны, где все желающие могут испытать невесомость.

Пройдя медицинскую комиссию и заплатив определённую сумму денег, можно попасть на борт самолёта, который летит по волнообразной траектории, и во время пике люди на протяжении полминуты могут испытать необычное чувство невесомости.

Пилот самолёта через селекторную связь сообщает о начале действия невесомости. Это необходимо в целях безопасности. Дело в том, что после свободного падения самолёт стремительно набирает высоту. При этом люди, находящиеся на борту, испытывают диаметрально противоположный эффект — перегрузку.

Порой эта величина достигает трёхкратного значения ускорения свободного падения. Иными словами, вес тела в невесомости будет в три раза больше естественного. При падении с высоты нескольких метров с такой массой тела можно очень легко получить травму.

Для этих целей на борту самолёта в отделении для невесомости сидят специально обученные инструкторы. В их задачу входит вовремя опускать на пол самолёта тех людей, которые не успели уложиться в данный временной интервал.

Серия взлётов и падений происходит с периодичностью до двадцати раз за один полет самолёта.

В России, например, для желающих ощутить невесомость есть специальная центрифуга, которая находится в центре подготовки космонавтов и пилотов. Опять же, после медкомиссии и денежного взноса в размере порядка 55 тыс. рублей человек может ощутить на себе действие невесомости.

Влияние на организм человека

По определению, невесомость абсолютно безвредна для организма человека. Сложности начинаются, когда она длится несколько суток, недель или месяцев.

В большинстве случаев это касается только обитателей космических станций. Космонавты, долгое время находящиеся на борту аппаратов, начинают испытывать существенный дискомфорт. В первую очередь это связано с вестибулярным механизмом.

На Земле, в привычных условиях, отолиты вестибулярного аппарата давят на нервные окончания, таким образом подсказывая нашему мозгу, где верх и низ, ориентируя тело человека в пространстве.

Вес и невесомость

Совсем другое дело, когда тело ничего не весит. Все процессы в нем протекают иначе. Из-за отсутствия давления отолитов наступает нарушение ориентации в пространстве. Понятие «верх» и «низ» в космосе полностью исчезает. Вредит организму человека также отсутствие физической нагрузки. В таком состоянии мышечная ткань атрофируется, если не предпринимать никаких мер. С её деградацией страдает и костная ткань. При отсутствии нагрузки в кости тела поступает меньше фосфора.

Возникают сложности с питанием и глотанием жидкостей. Все жидкости при этом стремятся принять сферическую форму, что очень затрудняет повседневные вещи. Даже обычный насморк в условиях невесомости может оказаться очень тяжёлым испытанием для организма из-за того, что мокроты не выводятся под действием силы тяжести, а образуют сферические капли.

Для поддержания необходимого тонуса космонавты постоянно тренируются по несколько часов в день. При отходе ко сну привязывают себя специальными ремешками, чтобы не получить травму во время сна.

Для питания космонавтов разработана специальная пища в тюбиках и хлеб, который не крошится.

Прежде, чем длительное время испытывать невесомость, человек должен ощутить её действие на земле, чтобы выяснить, как в дальнейшем будет на него воздействовать отсутствие силы тяжести.

Мы привыкли к тому, что все предметы вокруг нас имеют вес. Происходит это потому, что сила гравитации притягивает их к Земле. Даже если мы летим в самолёте или прыгаем с парашютом, вес никуда от нас не девается. Но что же произойдёт, если вес всё же исчезнет, когда это бывает и какие интересные явления наблюдаются в условиях невесомости? Обо всём этом — в данном посте.

Закон всемирного тяготения, открытый ещё Ньютоном, гласит, что все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Для тел с маленькой массой такое притяжение практически не заметно, но если тело имеет большую массу, такую, как наша планета Земля (а её масса в килограммах выражается 25-значным числом), то притяжение становится заметным. Поэтому все предметы притягиваются к Земле — если их поднять, они падают вниз, а когда упадут, сила тяжести прижимает их к поверхности. Это и приводит к тому, что всё на Земле имеет вес, даже воздух прижимается к Земле силой тяжести и своим весом давит на всё, что находится на её поверхности.

Когда вес может исчезнуть? Либо тогда, когда сила тяжести вообще не действует на тело, либо тогда, когда она действует, но телу ничто не мешает свободно падать. Хотя с удалением от Земли сила притяжения к ней уменьшается, даже на высоте в сотни и тысячи километров она остаётся ещё большой, поэтому избавиться от силы тяжести непросто. А вот оказаться в состоянии свободного падения вполне возможно.

Например, можно оказаться в состоянии невесомости, если оказаться в самолёте, движущемся по специальной траектории — так же, как тело, которому не мешало бы сопротивление воздуха.

Выглядит всё это так:

Конечно, долго по такой траектории самолёт двигаться не может, т. к. врежется в землю. Поэтому с длительным пребыванием в условиях невесомости сталкиваются только космонавты, живущие на орбитальной станции. И им приходится привыкать к тому, что многие привычные нам явления в условиях невесомости происходят совсем не так, как на Земле.

1) В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.

Для того, чтобы научиться двигаться в невесомости, нужно время, и у новичков это получается не сразу. «Они толкаются со всей силы и ударяются головой, путаются в проводах и прочее, так что это источник бесконечного веселья» — сказал на эту тему один из американских астронавтов.

2) Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.

3) Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает. Если в обычных условиях зажечь свечу, она будет гореть ярко, пока не сгорит. Но происходит это потому, что нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, освобождая место для свежего воздуха, насыщенного кислородом. В невесомости конвекции воздуха не наблюдается и со временем кислород вокруг пламени выгорает и горение прекращается.

Горение свечи в обычных условиях и в невесомости (справа)

Но постоянный приток кислорода нужен не только для горения, но и для дыхания. Поэтому если космонавт неподвижен (например, спит), то в отсеке должен работать вентилятор, чтобы перемешивать воздух.

4) В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства. Если бы удалось снизить стоимость доставки грузов на орбиту и обратно, это решило бы многие технологические проблемы.

5) В невесомости на борту орбитальной станции были впервые обнаружены некоторые ранее неизвестные эффекты. Например, образование структур, напоминающих кристаллические, в плазме, или «эффект Джанибекова» — когда вращающийся предмет через определённые промежутки времени внезапно меняет ось вращения на 180 градусов.

Эффект Джанибекова:

6) Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы. Хотя к жизни в невесомости можно приспособиться, сделать это не так просто. Оказавшись в состоянии невесомости впервые, человек теряет ориентацию в пространстве, возникает головокружение, т. к. вестибулярный аппарат перестаёт нормально работать. Другие изменения в организме включают перераспределение жидкости в организме, из-за чего отекает лицо и закладывает нос, из-за пропадания нагрузки на позвоночник увеличивается рост, а при длительном пребывании в невесомости атрофируются мышцы и теряют прочность кости. Чтобы уменьшить негативные изменения, космонавтам приходится регулярно выполнять специальные упражнения.

После возвращения на Землю космонавтам приходится вновь приспосабливаться к прежним условиям не только физически, но и психологически. Они могут, например, по привычке оставить стакан в воздухе, забыв, что он упадёт.

«Физика невесомости». Как работают законы физики в условиях невесомости, рассказывают космонавты на МКС:

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.

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.

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 веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий , 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.

Все мы слышали о невесомости. При этом слове мы представляем себе космонавтов, свободно плавающих внутри космической станции. Давайте с вами попытаемся ответить на простой с виду вопрос: что же такое эта самая невесомость?
НЕ ВЕСОМОСТЬ, то есть отсутствие у тела веса. То есть, чтобы правильно понять, что такое невесомость, мы должны чётко себе представлять, что такое вес тела.

Вес — сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. Определяется выражением:

P = mg , где:

Р - вес тела, m - масса тела, g - ускорение свободного падения.

Значение веса пропорционально ускорению свободного падения, которое зависит от высоты над земной поверхностью, а также ввиду ее вращения - от географических координат точки измерения.

При движении системы тело — опора (или подвес) относительно инерциальной системы отсчёта c ускорением а вес перестаёт совпадать с силой тяжести, действующей на это тело:

P = m(g - а)

Надо ещё отметить, что согласно Третьему Закону Ньютона, не только тело воздействует на опору (подвес), но и опора (подвес) воздействуют на тело с силой, называемой силой реакции опоры (подвеса). Эта сила численно равна весу тела и направлена противоположно действию силы тяжести. Тогда, на тело действуют две силы, равные по величине и противоположные по направлению, то есть их равнодействующая равна нулю, значит тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Значит, невесомость (отсутствие веса) - это состояние, в котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой (или подвесом), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела.

Тогда, давайте подумаем, что будет, если и тело и его опора будут падать в поле сил тяготения. Тогда, так как и опора и тело будут двигаться с одинаковой скоростью, тело не будет давить своей массой на эту опору, то есть не будет воздействовать на неё. То есть вес тела (сила, с которой оно воздействует на опору) равен нулю. Где это можно наблюдать на практике? Представим себе кабину лифта, сорвавшуюся с тросов и свободно падающую в шахте. И кабина и пассажир двигаются с одинаковым ускорением g = 9,8 м/с 2 . Тогда, пассажир не будет воздействовать на пол лифта, то есть будет испытывать состояние невесомости. Тогда он сможет свободно плавать в пространстве кабины лифта. Естественно, этот эксперимент обычно приводит к гибели подопытного. Но есть более привычная ситуация. Когда лифт только начинает движение вниз (то есть движется ускоренно, набирая свою обычную скорость), ваше тело ещё не набрало этой скорости и почти не давит на пол, значит - почти ничего не весит. Потом, когда лифт разогнался и далее движется равномерно, вместе с ним равномерно движетесь и вы, следовательно, вы как обычно давите своим телом на опору (пол лифта), значит состояния невесомости нет.

Полёт на космическом аппарате, вращающемся по орбите вокруг Земли, представляет собой не что иное, как постоянное падение на Землю. Просто, аппарат движется по орбите с очень большой скоростью(ок. 8 км/сек), и падая на Землю (вертикально), он успевает пройти в горизонтальном направлении такое расстояние, что в виду шарообразности Земли, расстояние до её поверхности не уменьшается. Тело падает, при этом не падая. Парадокс? Реальность!

То есть, кабина космического аппарата - это тот же лифт, сорвавшийся с тросов. И все тела, находящиеся внутри неё будут испытывать состояние невесомости. Они будут свободно плавать в кабине космического аппарата, при этом будут иметь место несколько интересных эффектов, о которых я расскажу в одном из следующих постов.

Для тренировки космонавтов на Земле мы можем кратковременно создавать состояние невесомости. Специальный самолёт пикирует по гиперболической траектории, то есть фактически падает с ускорением g, падают с тем же ускорением и люди в его кабине. То есть, они пребывают в состоянии невесомости. Таким способом можно создавать невесомость на время порядка одной минуты, после чего самолёт переходит из пикирования в набор высоты, а потом снова пикирует и всё повторяется опять. Так невесомость можно создать и на Земле.

Очень важным является понимание того, что вес и масса тела строго говоря не есть одно и то же, хотя в обиходе понятие "вес" часто употребляется, когда речь идёт о массе тел. Определение весу тела уже было дано выше. А масса тела - это мера его инертности, то есть способности сохранять своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при воздействии на него других тел, пытающихся это состояние изменить. Взаимодействие тел характеризуется такой величиной, как силой. При воздействии на тело силой F , ему сообщается ускорение а , зависящее от массы тела m :

a = F / m.

Мы видим, что чем больше масса тела, тем меньше ускорение, сообщённое ему силой той же величины. Если мы попытаемся проверить это сначала на Земле, а потом на борту космического аппарата (в невесомости), мы увидим, что это правило выполняется в обоих случаях. То есть, масса и вес тела - не одно и то же. Вес тела может и исчезать, а масса тела всегда сохраняется. Правда, в релятивистской механике, масса тел может изменяться (увеличиваться вплоть до бесконечности), но это уже совсем другая история, которая, правда тоже однажды станет объектом нашего рассмотрения.

А пока - до новых встреч. Спасибо всем, кто дочитал до конца, ибо "многобукав" даётся не каждому, а только самым любознательным.