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.

• Заказать решение задач по физике

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: