Naše dnešné stretnutie je venované úžasnej vlastnosti hmoty – gravitácii (gravitácii). Gravitácia Zeme je taká známa a prirodzená, že si ju nevšimneme. ale čo vieme o gravitácii?
Poďme zistiť, ako vzniká, od čoho závisí a ako sa prejavuje.
Gravitácia
Vzájomná príťažlivosť všetkých tiel vo vesmíre bola otvorená. Táto príťažlivosť sa nazýva gravitačná interakcia.
Tiež stanovil závislosť týchto síl od hmotnosti interagujúcich telies a vzdialenosti medzi nimi.
Čím väčšia je hmotnosť telies, tým väčšia je sila ich príťažlivosti. Ale s rastúcou vzdialenosťou klesá.
Pre nás pozemšťanov je dôležitá najmä gravitačná sila našej planéty. Sila, ktorou Zem priťahuje teleso k sebe, sa zvyčajne nazýva gravitácia.
So vzdialenosťou od zemského povrchu klesá a smeruje vždy k stredu zeme. Teda Zemeguľa priťahuje vonkajšie telá rovnako ako hmotný bod. Naša planéta je na póloch mierne sploštená (asi 27 km) a gravitácia v týchto bodoch je o niečo vyššia ako gravitácia na rovníku alebo v iných zemepisných šírkach. V súlade s tým je sila gravitácie na vrchole hory o niečo menšia ako na jej úpätí.
Na označenie tejto sily sa používa symbol F heavy.
Telesná hmotnosť, stav beztiaže
Gravitácia je teda výsledkom interakcie telies so Zemou. Ale v každodennom živote často používame koncept telesnej hmotnosti. Poďme zistiť, aká je táto hodnota.
Aby sme to urobili, prenesme sa mentálne do stacionárneho výťahu. Hmotnosť jeho pasažierov P sa bude rovnať gravitačnej sile (P = F gravitácia). Vo výťahu stúpajúcom so zrýchlením je gravitačná sila konštantná, ale hmotnosť sa začne zvyšovať. Je to cítiť ako zvýšenie tlaku z podpery - podlahy. Výťah klesá a postupne spomaľuje. Podporný tlak bude menší, t.j. Keď gravitácia zostáva rovnaká, hmotnosť klesá.
... Stopy zanechané ľuďmi, zvieratami alebo vozidlami na mokrom piesku alebo snehu presne potvrdzujú pôsobenie týchto tiel na podperu.
Hmotnosť tela je sila, ktorou stacionárne telesá pôsobia na podperu alebo naťahujú záves.
Na to treba pamätať gravitácia je aplikovaná na stred objektu a váha je aplikovaná na podperu alebo záves.
Čo sa stane s hmotnosťou tela, ak podpora alebo zavesenie zmizne? Telo začne voľne padať. A keďže odpor voči jeho ďalšiemu pohybu zmizol, hmotnosť tela sa stane nulovou. Pre telá vo voľnom páde nastáva stav beztiaže.
Parašutista letiaci v beztiažovom stave pred otvorením padáka, návštevníci horskej dráhy jazdia po prekonaní najvyššieho bodu a vo všeobecnosti každý skok nahor predstavuje niekoľko sekúnd beztiaže pred pristátím.
ale Prečo astronauti zažívajú stav beztiaže? na obežnej dráhe po vypnutí motorov na kozmickej lodi? Pri interakcii so Zemou majú tieto vesmírne objekty tendenciu k voľnému pádu, ale ich horizontálna rýchlosť je taká vysoká (asi 8 km/s), že nemôžu padať a lietať na svojej obežnej dráhe, čo opisuje zákrutu po zákrute okolo Zeme.
Vplyv Archimedovej sily na telesnú hmotnosť
Doteraz sme uvažovali o prejavoch gravitácie vzhľadom na to, že interakcia prebieha v prostredí bez vzduchu. Ako ovplyvní prítomnosť plynu alebo kvapaliny telesnú hmotnosť?
Odpoveď na túto otázku dal jeden z najdôstojnejších synov starovekého Grécka - Archimedes 3 tisíc rokov pred naším letopočtom.
Vedec tvrdil, že v dôsledku interakcie telesa s médiom (kvapalina alebo plyn) sa objavuje vztlaková sila smerujúca vertikálne nahor. Jeho číselná hodnota sa rovná hmotnosti tekutiny vytlačenej telesom.
Hmotnosť telesa v kvapaline alebo plyne je vždy menšia ako hmotnosť tohto telesa vo vákuu o veľkosť vztlakovej sily.
Ak je predmet hermeticky stlačený ku dnu, Archimedova sila nevzniká.
Hmotnosť
Pojem hmotnosť už poznáme. Poďme hovoriť o hmotnosti:
- Spočiatku sa hmota chápala ako množstvo látky obsiahnuté v tele.
- Potom sa zistilo jeho spojenie so zotrvačnosťou. Čím väčšia je hmotnosť, tým je telo inertnejšie.
- Určuje aj gravitačné charakteristiky tela. Masívnejšie telesá majú väčšiu gravitačnú silu.
- Hmotnosť daného telesa bude rovnaká ako na Zemi, tak aj na Mesiaci alebo na akejkoľvek inej planéte. Nezávisí to od zemepisnej šírky.
- Na jeho označenie sa používa písmeno m a meria sa v kg.
Hmotnosť, ako každá sila, sa meria v newtonoch (N). Existuje vzorec spájajúci telesnú hmotnosť a hmotnosť:
tu g je zrýchlenie voľného pádu.
Voľný pád
Padajúce telá študoval taliansky vedec Galileo. Pozoroval pohyb tiel a hádzal ich z veľmi vysokej naklonenej veže nachádzajúcej sa v meste Pisa. Podľa názvu mesta sa táto veža vysoká 55 m nazývala Šikmá veža v Pise.
Galileo súčasne zhodil delovú guľu s hmotnosťou 80 kg a malú kovovú guľu. Takmer súčasne sa dotkli zeme. Vedec dospel k záveru, že jediným dôvodom nesúčasného pristátia loptičiek je odpor vzduchu.
Pád telies v bezvzduchovom priestore len pod vplyvom gravitácie sa nazýva voľný pád.
V pozemských podmienkach môžeme tento jav pozorovať len približne. Pretože atmosférický vzduch je prekážkou voľne padajúceho telesa.
Pri tomto pohybe sa rýchlosť padajúcich telies každú sekundu zvyšuje o 9,81 m/s.
Teda zrýchlenie voľného pádu g = 9,81 m/ a mení sa len mierne so zmenami geografickej šírky miesta. Pri výpočtoch sa často berie g = 10 m/s 2 .
Na Mesiaci, kde je gravitačná sila 6-krát menšia, g = 1,6 m/s 2 .
Teraz je veľmi aktívna štúdia „červenej planéty“ - Marsu. Jeho hmotnosť je takmer 10-krát menšia ako hmotnosť našej domovskej planéty. Zdá sa, že hmotnosť tiel by sa mala tiež znížiť 10-krát. Polomer Marsu je však takmer 2-krát menší ako polomer Zeme, čo vedie k takmer 4-násobnému zvýšeniu gravitácie. V konečnom dôsledku bude gravitačná sila, ako aj hmotnosť telesa, len 1/3 zemskej príťažlivosti.
Presne takto môžete zistiť gravitáciu telesa na akejkoľvek planéte. Povedzme, že astronaut, ktorého hmotnosť na Zemi je 80 kg, na obrej planéte Jupiter bude vážiť 161,2 kg.
Moment gravitácie
Každé telo má ťažisko. Ak na ňu mentálne zvesíte telo, zachová si svoju pôvodnú polohu. Napríklad ťažisko lopty sa nachádza v jej geometrickom strede. Čím nižšie je ťažisko, tým stabilnejšia je poloha tela. Preto sa lyžiar rútiaci sa z hory mierne hrbí. Posúva tak svoje ťažisko smerom nadol, čím sa zvyšuje jeho stabilita.
„Oboznámený“ s fyzikálnymi zákonmi a so známou hračkou pohára. Jeho ťažisko je dole, keďže tam je pripevnené závažie. A už mierne vychýlenie tejto hračky do strany zdvihne ťažisko. Gravitácia vytvára krútiaci moment, ktorý obnovuje vertikálnu polohu tela.
Moment gravitácie je súčinom gravitačnej sily a ramena tejto sily:
M = F kábel L = mgL,
Kde
M - moment tiaže;
L je rameno tejto sily, t.j. kolmica medzi čiarou pôsobenia sily a stredom otáčania.
Jednotka krútiaceho momentu je 1 Nm.
Pri ukladaní nákladu do áut alebo na lode ho vždy umiestnite čo najnižšie. To zaisťuje stabilitu a chráni nákladnú dopravu pred prevrátením.
Práca gravitácie
Funguje voľne padajúce telo? Napríklad meteorit, ktorý k nám priletel z hlbín vesmíru, jablko, ktoré spadlo z konára, alebo kaskádový vodopád.
Pri akejkoľvek vertikálnej zmene polohy tela jeho ťažisko buď klesá, alebo stúpa. Gravitačná sila funguje
kde mg = F ťažký.
Ak telo klesá, práca je pozitívna, ak stúpa, je negatívna. Na uzavretej dráhe, keď je telo vyhodené zvisle nahor a potom sa voľne padajúce vráti do východiskového bodu, je práca 0.
Záver
Gravitácia hrala obrovskú úlohu pri adaptácii ľudí a zvierat na život na súši. Vďaka sile gravitácie chodíme po zemi skôr ako letíme do vesmíru. Drží atmosféru planét a vody vo svetových oceánoch. Vďačíme za to pohybu planét a ich satelitov v našej slnečnej sústave.
Naše zoznamovanie sa so zemskou príťažlivosťou je u konca. Po mnoho storočí ľudia hľadali spôsoby, ako sa oslobodiť od pozemských pút. Tajomstvá antigravitácie ešte neboli odhalené.
Ale ľudstvu sa podarilo prekonať zemskú gravitáciu a dosiahnuť fantastické úspechy v prieskume vesmíru.
Ak bola táto správa pre vás užitočná, rád vás uvidím
Čo je stav beztiaže? Plávajúce poháre, schopnosť lietať a chodiť po strope a ľahko presúvať aj tie najmasívnejšie predmety - taká je romantická predstava tohto fyzického konceptu.
Ak sa opýtate astronauta, čo je stav beztiaže, povie vám, aké ťažké je to počas prvého týždňa na palube stanice a ako dlho trvá zotavenie sa po návrate, zvyknutí si na podmienky gravitácie. Fyzik s najväčšou pravdepodobnosťou vynechá takéto nuansy a odhalí koncept s matematickou presnosťou pomocou vzorcov a čísel.
Definícia
Oboznámenie sa s fenoménom začneme odhalením vedeckej podstaty problematiky. Fyzici stav beztiaže definujú ako stav telesa, keď jeho pohyb alebo vonkajšie sily naň pôsobiace nevedú k vzájomnému tlaku častíc na seba. Ten druhý sa na našej planéte vyskytuje vždy, keď sa objekt pohybuje alebo je v pokoji: je stlačený gravitáciou a opačne smerovanou reakciou povrchu, na ktorom sa objekt nachádza.
Výnimkou z tohto pravidla sú prípady pádu rýchlosťou, ktorú telu udeľuje gravitácia. Pri takomto procese nedochádza k vzájomnému tlaku častíc, objavuje sa beztiažový stav. Fyzika hovorí, že stav, ktorý sa vyskytuje vo vesmírnych lodiach a niekedy aj v lietadlách, je založený na rovnakom princípe. Stav beztiaže sa u týchto zariadení objavuje, keď sa pohybujú konštantnou rýchlosťou v ľubovoľnom smere a sú v stave voľného pádu. Umelý satelit alebo vynesený na obežnú dráhu pomocou nosnej rakety. Dáva im určitú rýchlosť, ktorá sa udržiava po vypnutí vlastných motorov zariadenia. V tomto prípade sa loď začne pohybovať len vplyvom gravitácie a nastáva stav beztiaže.
Doma
Tým sa následky letov pre astronautov nekončia. Po návrate na Zem sa musia na nejaký čas opäť adaptovať na gravitáciu. Čo je stav beztiaže pre astronauta, ktorý dokončil svoj let? V prvom rade ide o zvyk. Vedomie po určitú dobu stále odmieta akceptovať skutočnosť prítomnosti gravitácie. V dôsledku toho sa často vyskytujú prípady, keď astronaut namiesto toho, aby položil pohár na stôl, jednoducho ho pustil a chybu si uvedomil až po tom, čo počul zvuk rozbíjania riadu o podlahu.
Výživa
Jednou z ťažkých a zároveň zaujímavých úloh pre organizátorov pilotovaných letov je poskytnúť astronautom v pohodlnej forme jedlo, ktoré je telom ľahko stráviteľné pod vplyvom stavu beztiaže. Prvé experimenty medzi členmi posádky veľké nadšenie nevzbudili. Orientačným prípadom v tomto smere je, keď si americký astronaut John Young v rozpore s prísnymi zákazmi priniesol na palubu sendvič, ktorý však nezjedli, aby ešte viac neporušili predpisy.
Dnes nie sú problémy s rozmanitosťou. Zoznam jedál, ktoré majú ruskí kozmonauti k dispozícii, obsahuje 250 položiek. Nákladná loď, ktorá odchádza na stanicu, niekedy doručí čerstvé jedlo objednané jedným z členov posádky.
Základom diéty je Všetky tekuté jedlá, nápoje a pyré sú balené v hliníkových tubách. Balenie a balenie produktov je navrhnuté tak, aby sa zabránilo vzniku omrviniek, ktoré sa vznášajú v beztiažovom stave a môžu sa niekomu dostať do oka. Napríklad sušienky sú celkom malé a pokryté škrupinou, ktorá sa topí v ústach.
Známe prostredie
Na staniciach ako ISS sa snažia priblížiť všetky podmienky tým, ktorí sú na Zemi známi. Patria sem národné jedlá na jedálnom lístku, pohyb vzduchu potrebný pre fungovanie tela aj pre normálnu prevádzku zariadení a dokonca aj označenie podlahy a stropu. To posledné má skôr psychologický význam. Astronautovi v nulovej gravitácii je jedno, v akej polohe bude pracovať, pridelenie podmienenej podlahy a stropu však znižuje riziko straty orientácie a podporuje rýchlejšie prispôsobenie.
Stav beztiaže je jedným z dôvodov, prečo nie každý je akceptovaný ako astronaut. Adaptácia po príchode na stanicu a po návrate na Zem je porovnateľná s aklimatizáciou, niekoľkonásobne vylepšená. Človek s podlomeným zdravím nemusí takúto záťaž vydržať.
Hmotnosť ako sila, ktorou akékoľvek teleso pôsobí na povrch, podperu alebo zavesenie. Hmotnosť vzniká v dôsledku gravitačnej príťažlivosti Zeme. Číselne sa hmotnosť rovná sile gravitácie, ale gravitačná sila je aplikovaná na ťažisko tela, zatiaľ čo hmotnosť je aplikovaná na podperu.
Beztiažový stav – nulová hmotnosť, môže nastať, ak nepôsobí gravitačná sila, to znamená, že teleso je dostatočne vzdialené od masívnych predmetov, ktoré ho môžu priťahovať.
Medzinárodná vesmírna stanica sa nachádza 350 km od Zeme. V tejto vzdialenosti je gravitačné zrýchlenie (g) 8,8 m/s2, čo je len o 10 % menej ako na povrchu planéty.
To sa v praxi vidí len zriedka - gravitačný vplyv vždy existuje. Astronautov na ISS stále ovplyvňuje Zem, ale je tam beztiažový stav.
Ďalší prípad stavu beztiaže nastáva, keď je gravitácia kompenzovaná inými silami. Napríklad ISS je vystavená gravitácii, mierne zníženej kvôli vzdialenosti, ale stanica sa tiež pohybuje po kruhovej dráhe pri únikovej rýchlosti a odstredivá sila kompenzuje gravitáciu.
Stav beztiaže na Zemi
Fenomén beztiaže je možný aj na Zemi. Pod vplyvom zrýchlenia sa telesná hmotnosť môže znížiť a dokonca sa stať negatívnou. Klasickým príkladom, ktorý uvádzajú fyzici, je padajúci výťah.
Ak sa výťah pohybuje nadol so zrýchlením, tlak na podlahu výťahu a tým aj hmotnosť sa zníži. Navyše, ak sa zrýchlenie rovná gravitačnému zrýchleniu, to znamená, že výťah padne, hmotnosť telies sa stane nulovou.
Záporná hmotnosť sa pozoruje, ak zrýchlenie pohybu výťahu prekročí zrýchlenie voľného pádu - telesá vo vnútri sa „prilepia“ na strop kabíny.
Tento efekt je široko používaný na simuláciu stavu beztiaže pri tréningu astronautov. Lietadlo vybavené cvičnou komorou stúpa do značnej výšky. Potom sa stroj ponorí dolu po balistickej trajektórii, v skutočnosti sa stroj vyrovná na povrchu zeme. Pri potápaní z 11-tisíc metrov môžete získať 40 sekúnd beztiaže, ktoré sa využívajú na tréning.
Existuje mylná predstava, že títo ľudia vykonávajú zložité postavy, ako napríklad „Nesterovova slučka“, aby dosiahli stav beztiaže. V skutočnosti sa na výcvik používajú upravené sériové osobné lietadlá, ktoré nie sú schopné zložitých manévrov.
Fyzický prejav
Fyzikálny vzorec pre hmotnosť (P) počas zrýchleného pohybu podpery, či už je to padajúci živôtik alebo potápačské lietadlo, je nasledujúci:
kde m je telesná hmotnosť,
g – zrýchlenie voľného pádu,
a je zrýchlenie podpory.
Keď sa g a a rovnajú, P=0, to znamená, že sa dosiahne beztiažový stav.
V predchádzajúcich lekciách sme si rozobrali, čo je sila univerzálnej gravitácie a jej špeciálny prípad – gravitačná sila, ktorá pôsobí na telesá nachádzajúce sa na Zemi.
Gravitácia je sila pôsobiaca na akékoľvek hmotné teleso nachádzajúce sa v blízkosti povrchu Zeme alebo iného astronomického telesa. Gravitácia hrá v našom živote životne dôležitú úlohu, pretože všetko, čo nás obklopuje, podlieha jej vplyvu. Dnes sa pozrieme na ďalšiu silu, ktorá sa najčastejšie spája s gravitáciou. Táto sila je telesná hmotnosť. Téma dnešnej lekcie: „Telesná hmotnosť. stav beztiaže"
Pôsobením elastickej sily, ktorá pôsobí na horný okraj telesa, sa toto teleso zase deformuje a v dôsledku deformácie telesa vzniká ďalšia elastická sila. Táto sila pôsobí na spodný okraj pružiny. Okrem toho sa veľkosťou rovná elastickej sile pružiny a smeruje nadol. Je to pružná sila tela, ktorú budeme nazývať jeho hmotnosťou, to znamená, že hmotnosť tela je aplikovaná na pružinu a smeruje nadol.
Po odumretí kmitov telesa na pružine sa sústava dostane do rovnovážneho stavu, v ktorom sa súčet síl pôsobiacich na teleso bude rovnať nule. To znamená, že sila gravitácie má rovnakú veľkosť a opačný smer ako pružná sila pružiny (obr. 2). Ako sme už zistili, tá má rovnakú veľkosť a opačný smer ako hmotnosť tela. To znamená, že sila gravitácie sa svojou veľkosťou rovná hmotnosti telesa. Tento pomer nie je univerzálny, ale v našom príklade je spravodlivý.
Ryža. 2. Hmotnosť a gravitácia ()
Vyššie uvedený vzorec neznamená, že gravitácia a hmotnosť sú to isté. Tieto dve sily sú svojou povahou odlišné. Hmotnosť je elastická sila pôsobiaca na záves zo strany tela a gravitácia je sila pôsobiaca na telo zo strany Zeme.
Ryža. 3. Hmotnosť a gravitácia tela na zavesení a na podpere ()
Poďme zistiť niektoré vlastnosti hmotnosti. Hmotnosť je sila, ktorou telo tlačí na podperu alebo naťahuje zavesenie, z toho vyplýva, že ak telo nie je zavesené alebo nie je pripevnené k podpere, potom je jeho hmotnosť nulová. Tento záver sa zdá byť v rozpore s našou každodennou skúsenosťou. Má však celkom spravodlivé fyzické príklady.
Ak sa pružina s na nej zaveseným telesom uvoľní a nechá sa voľne padať, indikátor dynamometra ukáže nulovú hodnotu (obr. 4). Dôvod je jednoduchý: záťaž a dynamometer sa pohybujú s rovnakým zrýchlením (g) a rovnakou nulovou počiatočnou rýchlosťou (V 0). Spodný koniec pružiny sa pohybuje synchrónne so zaťažením, pričom sa pružina nedeformuje a v pružine nevzniká žiadna elastická sila. V dôsledku toho neexistuje žiadna protipružná sila, ktorá je hmotnosťou tela, to znamená, že telo nemá váhu alebo je beztiaže.
Ryža. 4. Voľný pád pružiny so zaveseným telesom ()
Stav beztiaže vzniká v dôsledku toho, že v pozemských podmienkach gravitačná sila udeľuje všetkým telesám rovnaké zrýchlenie, takzvané gravitačné zrýchlenie. Pre náš príklad môžeme povedať, že záťaž a dynamometer sa pohybujú s rovnakým zrýchlením. Ak na teleso pôsobí iba gravitačná sila alebo len sila univerzálnej gravitácie, potom je toto teleso v stave beztiaže. Je dôležité pochopiť, že v tomto prípade zmizne iba hmotnosť tela, ale nie gravitačná sila pôsobiaca na toto telo.
Stav beztiaže nie je exotický, mnohí z vás ho zažili pomerne často – každý človek, ktorý sa odráža alebo skáče z akejkoľvek výšky, je v stave beztiaže až do momentu pristátia.
Zoberme si prípad, keď sa dynamometer a teleso pripevnené k jeho pružine pohybujú smerom nadol s určitým zrýchlením, ale nepadajú voľne. Hodnoty dynamometra sa znížia v porovnaní s hodnotami pri stacionárnom zaťažení a pružine, čo znamená, že telesná hmotnosť sa znížila ako v pokoji. Aký je dôvod tohto poklesu? Uveďme matematické vysvetlenie založené na druhom Newtonovom zákone.
Ryža. 5. Matematické vysvetlenie telesnej hmotnosti ()
Na telo pôsobia dve sily: gravitačná sila smerujúca nadol a pružná sila pružiny smerujúca nahor. Tieto dve sily dodávajú telu zrýchlenie. a pohybová rovnica bude:
Zvoľme si os y (obr. 5), keďže všetky sily smerujú vertikálne, stačí nám jedna os. V dôsledku premietnutia a prenosu pojmov dostaneme, že modul elastickej sily sa bude rovnať:
ma = mg - F kontrola
F kontrola = mg - ma,
kde na ľavej a pravej strane rovnice sú projekcie síl špecifikovaných v druhom Newtonovom zákone na os y. Podľa definície sa absolútna hmotnosť telesa rovná elastickej sile pružiny a dosadením jej hodnoty dostaneme:
P = F kontrola = mg - ma = m(g - a)
Hmotnosť telesa sa rovná súčinu hmotnosti tela a rozdielu zrýchlenia. Z výsledného vzorca je zrejmé, že ak je modul zrýchlenia telesa menší ako modul zrýchlenia voľného pádu, potom je hmotnosť telesa menšia ako gravitačná sila, teda hmotnosť pohybujúceho sa telesa. zrýchleným tempom je menšia ako hmotnosť tela v pokoji.
Uvažujme prípad, keď sa teleso so závažím pohybuje rýchlo nahor (obr. 6).
Ihla dynamometra bude ukazovať hodnotu telesnej hmotnosti väčšiu ako je záťaž v pokoji.
Ryža. 6. Telo s váhou sa rýchlo pohybuje nahor ()
Teleso sa pohybuje nahor a jeho zrýchlenie smeruje rovnakým smerom, preto musíme zmeniť znamienko projekcie zrýchlenia na os y.
Zo vzorca je zrejmé, že teraz je hmotnosť telesa väčšia ako sila gravitácie, teda väčšia ako váha telesa v pokoji.
Nárast telesnej hmotnosti spôsobený jeho zrýchleným pohybom sa nazýva preťaženie.
To platí nielen pre teleso zavesené na pružine, ale aj pre teleso namontované na podpere.
Uvažujme príklad, v ktorom sa teleso mení pri svojom zrýchlenom pohybe (obr. 7).
Auto sa pohybuje po moste s konvexnou trajektóriou, teda po zakrivenej trajektórii. Tvar mosta budeme považovať za oblúk kruhu. Z kinematiky vieme, že auto sa pohybuje s dostredivým zrýchlením, ktorého veľkosť sa rovná druhej mocnine rýchlosti delenej polomerom zakrivenia mosta. V momente, keď je v najvyššom bode, bude toto zrýchlenie smerovať vertikálne nadol. Podľa druhého Newtonovho zákona je toto zrýchlenie udelené autu výslednou gravitačnou silou a reakčnou silou zeme.
Vyberme si súradnicovú os y smerujúcu zvisle nahor a napíšme túto rovnicu v projekcii na zvolenú os, dosaďte hodnoty a vykonajte transformácie:
Ryža. 7. Najvyšší bod auta ()
Hmotnosť auta podľa tretieho Newtonovho zákona sa modulom rovná reakčnej sile podpory (), pričom vidíme, že modul hmotnosti auta je menší ako gravitačná sila, teda menší ako hmotnosť stojaceho auta.
Pri štarte zo Zeme sa raketa pohybuje vertikálne nahor so zrýchlením a=20 m/s 2 . Akú hmotnosť má pilot-kozmonaut v kabíne rakety, ak jeho hmotnosť je m=80 kg?
Je celkom zrejmé, že zrýchlenie rakety smeruje nahor a na jeho vyriešenie musíme použiť vzorec telesnej hmotnosti pre prípad preťaženia (obr. 8).
Ryža. 8. Ilustrácia problému
Treba poznamenať, že ak má teleso nehybné vzhľadom na Zem hmotnosť 2400 N, potom jeho hmotnosť je 240 kg, to znamená, že astronaut sa cíti trikrát hmotnejší, než v skutočnosti je.
Rozoberali sme pojem telesnej hmotnosti, zistili základné vlastnosti tejto veličiny a získali vzorce, ktoré nám umožňujú vypočítať hmotnosť telesa pohybujúceho sa zrýchlením.
Ak sa teleso pohybuje zvisle nadol a jeho modul zrýchlenia je menší ako gravitačné zrýchlenie, potom hmotnosť telesa klesá v porovnaní s hodnotou hmotnosti stacionárneho telesa.
Ak sa telo pohybuje vertikálne nahor zrýchleným tempom, jeho hmotnosť sa zvyšuje a telo zažíva preťaženie.
Bibliografia
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základná úroveň) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fyzika 10. ročník. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika - 9, Moskva, Vzdelávanie, 1990.
Domáca úloha
- Definujte telesnú hmotnosť.
- Aký je rozdiel medzi telesnou hmotnosťou a gravitáciou?
- Kedy nastáva stav beztiaže?
- Internetový portál Physics.kgsu.ru ().
- Internetový portál Festival.1september.ru ().
- Internetový portál Terver.ru ().
Všetci sme počuli o stave beztiaže. Keď počujeme toto slovo, predstavíme si astronautov, ktorí sa voľne vznášajú vo vnútri vesmírnej stanice. Skúsme si odpovedať na zdanlivo jednoduchú otázku: čo je to za beztiaže?
WEIGHTNESS, čiže telu chýba váha. To znamená, že aby sme správne pochopili, čo je stav beztiaže, musíme jasne pochopiť, čo je telesná hmotnosť.
Hmotnosť- sila tela pôsobiaca na podperu (alebo záves alebo iný typ upevnenia), zabraňujúca pádu, vznikajúca v gravitačnom poli. Určené výrazom:
P = mg, Kde:
R- telesná hmotnosť, m- telesná hmotnosť, g - zrýchlenie voľného pádu.
Hodnota závažia je úmerná gravitačnému zrýchleniu, ktoré závisí od výšky nad zemským povrchom a v dôsledku jeho natočenia aj od geografických súradníc meracieho bodu.
Keď sa systém pohybuje, telo je oporou (alebo zavesením) vzhľadom na inerciálnu referenčnú sústavu so zrýchlením A hmotnosť sa prestane zhodovať s gravitačnou silou pôsobiacou na toto teleso:
P = m(g - a)
V dôsledku rotácie Zeme dochádza k zemepisnému poklesu hmotnosti: na rovníku asi o 0,3 % menej ako na póloch.
Treba si tiež uvedomiť, že podľa tretieho Newtonovho zákona pôsobí nielen teleso na podperu (záves), ale aj podpera (záves) pôsobí na teleso silou tzv. reakčná sila podpery (odpruženia). Táto sila sa číselne rovná hmotnosti telesa a smeruje proti pôsobeniu gravitácie. Potom na teleso pôsobia dve sily rovnakej veľkosti a opačného smeru, to znamená, že ich výslednica je nulová, čo znamená, že teleso je buď v pokoji, alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro.
To znamená, že stav beztiaže (nedostatok hmotnosti) je stav, v ktorom neprítomný sila vzájomného pôsobenia telesa s podperou (alebo závesom), vznikajúca v súvislosti s gravitačnou príťažlivosťou, pôsobením iných hmotnostných síl, najmä zotrvačnej sily, ktorá vzniká pri zrýchlenom pohybe telesa.
Potom sa zamyslime nad tým, čo sa stane, ak teleso aj jeho podpera spadnú do poľa gravitačných síl. Potom, keďže sa podpera aj telo budú pohybovať rovnakou rýchlosťou, telo nebude tlačiť svojou hmotou na túto podperu, to znamená, že na ňu nebude pôsobiť. To znamená, že hmotnosť tela (sila, ktorou pôsobí na podperu) je nulová. Kde sa to dá v praxi pozorovať? Predstavme si kabínu výťahu, ktorá sa odtrhla od káblov a voľne padá šachtou. Kabína aj cestujúci sa pohybujú s rovnakým zrýchlením g = 9,8 m/s 2. Potom cestujúci neovplyvní podlahu výťahu, to znamená, že zažije stav beztiaže. Potom sa bude môcť voľne vznášať v priestore kabíny výťahu. Prirodzene, tento experiment zvyčajne vedie k smrti subjektu. Ale je tu bežnejšia situácia. Keď sa výťah práve začne pohybovať nadol (to znamená, že sa pohybuje zrýchleným tempom a naberá svoju normálnu rýchlosť), vaše telo túto rýchlosť ešte nedosiahlo a takmer netlačí na podlahu, čo znamená, že takmer nič neváži. Potom, keď výťah zrýchli a potom sa pohybuje rovnomerne, pohybujete sa s ním rovnomerne aj vy, preto ako obvykle tlačíte telom na podperu (podlahu výťahu), čiže nenastáva stav beztiaže.
Let na kozmickej lodi obiehajúcej okolo Zeme nie je nič iné ako neustály pád smerom k Zemi. Jednoducho, zariadenie sa pohybuje na obežnej dráhe veľmi vysokou rýchlosťou (cca 8 km/s) a pri páde k Zemi (vertikálne) dokáže prejsť takú vzdialenosť v horizontálnom smere, že vďaka guľovitému tvaru Zem, vzdialenosť k jej povrchu sa nezmenšuje. Telo padá bez pádu. Paradox? Realita!
To znamená, že kabína kozmickej lode je rovnaký výťah, ktorý spadol z káblov. A všetky telá v ňom zažijú stav beztiaže. V kabíne kozmickej lode sa budú voľne vznášať a odohrá sa niekoľko zaujímavých efektov, ktorým sa budem venovať v niektorom z nasledujúcich príspevkov.
Na výcvik astronautov na Zemi môžeme krátko vytvoriť stav beztiaže. Špeciálne lietadlo sa ponára po hyperbolickej trajektórii, teda v skutočnosti padá so zrýchlením g a s rovnakým zrýchlením padajú aj ľudia v jeho kabíne. To znamená, že sú v stave beztiaže. Týmto spôsobom môžete vytvoriť stav beztiaže na dobu približne jednej minúty, potom lietadlo prejde z ponoru do stúpania a potom sa znova ponorí a všetko sa znova opakuje. Na Zemi teda môže vzniknúť stav beztiaže.
Je veľmi dôležité tomu rozumieť hmotnosť A hmotnosť telá, prísne vzaté, nie sú to isté, hoci v každodennom živote sa pojem „váha“ často používa, keď sa hovorí o hmotnosti tiel. Definícia telesnej hmotnosti už bola uvedená vyššie. A hmotnosť telesa je mierou jeho zotrvačnosti, teda schopnosti udržať si stav pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu, keď je vystavené iným telesám, ktoré sa snažia tento stav zmeniť. Interakcia telies je charakterizovaná takou veličinou, ako je sila. Keď je telo vystavené sile F, je mu dané zrýchlenie A, v závislosti od telesnej hmotnosti m:
a = F/m.
Vidíme, že čím väčšia je hmotnosť telesa, tým menšie je zrýchlenie , mu oznámila sila rovnakej veľkosti. Ak sa to pokúsime otestovať najskôr na Zemi a potom na palube kozmickej lode (v nulovej gravitácii), uvidíme, že toto pravidlo platí v oboch prípadoch. To znamená, že telesná hmotnosť a hmotnosť nie sú to isté. Telesná hmotnosť môže zmiznúť, ale telesná hmotnosť zostáva vždy rovnaká. Pravda, v relativistickej mechanike sa hmotnosť telies môže meniť (zväčšovať do nekonečna), ale to je úplne iný príbeh, ktorý sa však tiež raz stane predmetom našej úvahy.
Medzitým sa opäť uvidíme. Ďakujem všetkým, ktorí dočítali až do konca, pretože „multiknihu“ nedostane každý, ale len ten najzvedavejší.