Вес тела
В повседневной жизни очень часто используется понятие «вес». Попытаемся выяснить, что же это за величина. В опытах, когда тело ставили на опору, сжималась не только опора, но и тело, притягиваемое Землёй.
Деформированное, сжатое тело давит на опору с силой, которую называют весом тела.
Если тело подвешено на нити (подвесе), то растянута не только нить (подвес), но и само тело.
Вес тела — это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес.
Как и другие силы, вес — векторная физическая величина. Вес тела обозначается буквой .
Вес тела, так же как сила тяжести, всегда направлен вниз. Однако следует помнить, что сила тяжести приложена к телу (рис. 67, а), а вес — к опоре или подвесу (рис. 67, б).
Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно, то вес тела по своему числовому значению равен силе тяжести, т. е.
P = Fтяж.
Следует помнить, что сила тяжести возникает вследствие взаимодействия тела и Земли.
Вес тела возникает в результате взаимодействия тела и опоры (подвеса) вследствие взаимодействия тела и Земли. Опора (подвес) и тело при этом деформируются, что приводит к появлению силы упругости.
ЕДИНИЦЫ СИЛЫ.
СВЯЗЬ МЕЖДУ СИЛОЙ ТЯЖЕСТИ И МАССОЙ ТЕЛА
Вам уже известно, что сила — это физическая величина. Она кроме числового значения (модуля) имеет направление, т. е. это векторная величина.
Силу, как и любую физическую величину, можно измерить, т. е. сравнить с силой, принятой за единицу.
Единицы физических величин всегда выбирают условно. Так, за единицу силы можно было принять любую силу. Например, можно выбрать в качестве единицы силы силу упругости
какой-либо пружины, растянутой до определённой длины. За единицу силы можно принять и силу тяжести, действующую на какое-нибудь тело.
.
Вы знаете, что сила является причиной изменения скорости тела. Именно поэтому за единицу силы принята сила, которая за время 1 с изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с.
В честь английского физика И. Ньютона эта единица названа ньютоном (1 Н).
Часто применяют и другие единицы — килоньютон (кН), миллиньютон (мН):
1 кН = 1000 Н, 1 Н = 0,001 кН.
Попытаемся определить величину силы в 1 Н. Установлено, что 1 Н приблизительно равен силе тяжести, которая действует на тело массой кг, или более точно кг (т. е. около 102 г).
Необходимо помнить, что сила тяжести, действующая на тело, зависит от географической широты, на которой находится тело. Сила тяжести меняется и при изменении высоты над поверхностью Земли.
Если единицей силы является 1 Н, то как рассчитать силу тяжести, которая действует на тело любой массы?
Известно, что во сколько раз масса одного тела больше массы другого тела, во столько же раз сила тяжести, действующая на первое тело, больше силы тяжести, действующей на второе тело. Таким образом, если на тело массой кг действует сила тяжести, равная 1 Н, то на тело кг будет действовать сила тяжести, равная 2 Н. На тело массой кг — сила тяжести, равная 5 Н, кг — 5,5 Н и т. д. На тело массой кг будет действовать сила, равная 9,8 Н.
Поскольку кг = 1 кг, то на тело массой 1 кг действует сила тяжести, равная 9,8 Н. Значение силы тяжести, действующей на тело массой 1 кг, можно записать так: кг.
Значит, если на тело массой 1 кг действует сила, равная 9,8 Н, то на тело массой 2 кг действует сила в 2 раза большая. Она равна 19,6 Н. На тело массой 3 кг — в 3 раза большая и равная 29,4 Ни т. д.
Таким образом, чтобы определить силу тяжести, действующую на тело любой массы, необходимо 9,8 Н/кг умножить на массу этого тела.
Массу тела выражают в килограммах. Тогда получим, что
Величину обозначают буквой g, и формула для силы тяжести будет иметь вид: Fтяж = mg.
где т — масса тела, g — ускорение свободного падения. (Понятие ускорения свободного падения будет вами изучено в 9 классе.)
При решении задач, когда не требуется большой точности, g = 9,8 Н/кг округляют до g = 10 Н/кг.
Вам уже известно, что Р = Fтяж, если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно. Следовательно, вес тела можно определить по формуле
P = gm.
Пример. На столе стоит чайник с водой массой 1,5 кг. Определите силу тяжести и вес чайника. Покажите эти силы на рисунке.
Теперь изобразим силы графически (рис. 69). Выберем масштаб. Пусть 3 Н будет равен отрезку длиной 0,3 см. Тогда силу в 15 Н необходимо начертить отрезком длиной 1,5 см.
Следует учитывать, что сила тяжести действует на тело, а значит, приложена к самому телу. Вес действует на опору или подвес, т. е. приложен к опоре, в нашем случае к столу.
Домашнее задание:
I. Учить §§ 27 – 28.
II. Ответить на вопросы:
1. Что называют весом тела?
2. Чем отличается вес тела от силы тяжести?
3. Что значит измерить какую-либо силу?
4. Что принято за единицу силы?
5. Как рассчитать силу тяжести, действующую на тело любой массы?
6. По какой формуле можно определить вес тела?
III. Решить упражнение 10:
1. Определите силу тяжести, действующую на тело массой 3,5 кг; 400 г; 1,5 т; 60 г.
2. Найдите вес тела, масса которого 5 кг, 300 г.
3. Вес человека 700 Н. Определите его массу. Сделайте рисунок и покажите вес тела.
4. Выразите в ньютонах следующие силы: 240 кН, 25 кН, 5 кН, 0,2 кН.
5. На столе стоит телевизор массой 5 кг. Определите силу тяжести и вес телевизора. Изобразите эти силы на рисунке.
IV. Читать текст на стр. 75 «Это любопытно…»
Невесомость
Мы живём в век начала освоения космоса, в век полётов космических кораблей вокруг Земли, на Луну и на другие планеты Солнечной системы. Нам часто приходится слышать и читать о том, что лётчики-космонавты и все предметы на космическом корабле во время его свободного полёта находятся в особом состоянии, называемом состоянием невесомости. Что же это за состояние и можно ли его наблюдать на Земле?
Невесомость — сложное физическое явление. Однако некоторые представления о состоянии невесомости можно получить и в начале изучения физики.
Напомним, что под весом тела мы понимаем силу, с которой тело вследствие притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес. Представим себе такой случай: опора или подвес вместе с телом свободно падают. Ведь опора и подвес тоже тело, и на них также действует сила тяжести. Каков в этом случае будет вес тела, т. е. с какой силой тело будет действовать на опору или подвес?
Обратимся к опыту. Для опыта берут небольшое тело и подвешивают его к пружине (рис. 68, а), другой конец которой прикреплён к неподвижной опоре. Под действием силы тяжести тело начинает двигаться вниз, поэтому пружина растягивается до тех пор, пока возникшая в ней сила упругости не уравновесит силу тяжести. Затем пережигают нить, удерживающую пружину с телом, пружина вместе с телом падает. Наблюдая за пружиной, замечают, что растяжение её исчезло (рис. 68, б). И пока пружина с телом падает, она остаётся нерастянутой. Следовательно, падающее тело не действует на падающую вместе с телом пружину. В этом случае вес тела равен нулю, но сила тяжести не равна нулю, она по-прежнему действует на тело и заставляет его падать. Точно так же если тело и опора, на которой оно лежит, будут свободно падать, то такое тело перестанет давить на опору. Следовательно, в этом случае вес тела будет равен нулю.
Подобные явления наблюдаются и на спутнике, обращающемся вокруг Земли. Сам спутник и все находящиеся в нём тела, включая космонавта, обращаясь вокруг Земли, как бы непрерывно свободно падают на Землю. Вследствие этого все находящиеся в спутнике тела не давят на опору, а подвешенные к пружине не растягивают её. Про такие тела говорят, что они находятся в состоянии невесомости.
Не закреплённые в корабле-спутнике тела свободно парят. Жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде. Маятники часов покоятся в любом положении, в котором их поставили. Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в вытянутом 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.