Общие сведения о понятии «сила веса»

В повседневной жизни термины «вес» и «масса» используются как синонимы. Бытовые весы любой конструкции при взвешивании какого-либо предмета показывают «вес», выраженный в килограммах. Однако в физике «вес» и «масса» являются совершенно разными понятиями, хотя и тесно связанными друг с другом.

Если масса равна нулю, то значение веса тела тоже будет нулевым. Но в определенных условиях вес тела, обладающего ненулевой массой, может обнулиться. В этом случае массивный объект будет находиться в состоянии невесомости.

Сила веса: формула

Прежде всего, необходимо разобраться, что вес — это сила (измеряется в ньютонах), с которой тело действует на опору или подвес. Масса — это характеристика инерционных и гравитационных свойств объекта (измеряется в килограммах). Поэтому объект, обладающий постоянной ненулевой массой, может иметь разные значения веса в зависимости от окружающих условий.

Изменения собственного веса легко почувствовать, поднимаясь и опускаясь на лифте. Когда лифт ускоряется, двигаясь вверх, вес увеличивается, при ускорении во время движения вниз — вес уменьшается. Масса же при этом, очевидно, остается неизменной.

Обратите внимание на тот факт, что сила веса является векторной величиной, характеризуется модулем и направлением, в то время как масса — величина скалярная.

Если тело находится в состоянии покоя либо двигается равномерно и прямолинейно относительно земли, то формула веса тела выглядит следующим образом:

Р = mg,

где:

• Р — вес (сила веса), выраженный в ньютонах (Н);
• m — масса тела, выраженная в килограммах (кг);
• g — ускорение свободного падения (у поверхности Земли оно приблизительно равно 9,81 м/с²).

Внешний вид формулы, по которой рассчитывают силу веса, может создать впечатление, что сила веса и сила тяжести (F_т) — это одно и то же. Но следует помнить, что это разные силы, имеющие разную природу.

На нашей планете сила тяжести возникает благодаря гравитационному взаимодействию между телом и Землей. F_т приложена к самому телу (точнее говоря, к центру массы тела).

Сила веса обусловлена взаимодействием тела и опоры (или подвеса). Ее модуль совпадает с модулем силы реакции опоры, а направление противоположно.

Подчеркнем, что сила тяжести равняется весу тела только в том случае, если тело покоится либо двигается равномерно и прямолинейно относительно земли и при этом взаимодействует с опорой или подвесом.

Что такое невесомость?

Как следует из термина, невесомость — это отсутствие веса. Это становится возможным, когда у тела нет ни опоры, ни подвеса. Если вы хотите оказаться в невесомости, то вам достаточно подпрыгнуть. Те несколько мгновений, в течение которых вы находитесь в воздухе, и будут состоянием невесомости.

Заметьте: во время прыжка ваша масса не изменилась, сила тяжести, действующая на вас со стороны Земли, тоже осталась прежней, но вес обнулился. Но как только ваши ноги коснутся земли, ваш вес тут же вернется к первоначальному значению.

Кстати, когда самолет поднимается, выполняет полет на эшелоне (заданная высота полета) или снижается, то он не находится в состоянии невесомости. Но если самолет начинает падать, то во время падения наступает невесомость.

Из-за «бесконечного падения» состояние невесомости наблюдается на Международной космической станции (МКС). Высота орбиты МКС составляет 418200 м. Значение ускорения свободного падения на такой высоте составляет 8,65 м/с². Это значит, что если бы мы построили башню высотой 418200 м, то человек массой 70 кг, стоящий на верхней площадке такой башни, весил бы 70 • 8,65 = 605,5 Н. Но космонавты на МКС весят 0 Н, потому что параметры движения станции подобраны таким образом, что она находится в свободном падении, но не может упасть на Землю из-за движения по орбите с соответствующей скоростью.

Как меняется вес тела при подъеме и спуске

Изменения веса при подъеме и спуске лифта может почувствовать на себе каждый. Когда лифт поднимается, то вес находящегося в кабине объекта увеличивается, а при движении лифта вниз — уменьшается.

Но изменение веса происходит только до тех пор, пока лифт движется с ускорением. Как только кабина набирает нужную скорость и начинает двигаться равномерно (неважно, вверх или вниз), то вес возвращается к обычной величине.

Что же происходит, когда лифт приходит в движение и начинает подниматься или же, наоборот, опускаться?

Рассмотрим силы, действующие на тело, стоящее на полу в лифте. Пусть лифт поднимается вверх с ускорением а. Вместе с лифтом с тем же ускорением поднимается и само тело массой m. При этом на тело действует сила тяжести mg и сила реакции опоры N (которая численно равна весу).

Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

Направим ось Y вертикально вверх и перепишем уравнение в проекциях на эту ось:

N – mg = ma.

Следовательно, реакция опоры будет иметь значение:

N = ma + mg = m(a + g).

Реакция опоры увеличилась, поэтому увеличился и вес.

Когда лифт двигается с ускорением вниз, все происходит с точностью до наоборот, и сила веса уменьшается.

Что такое перегрузка

Термином «перегрузка» в авиации называют отношение реально действующего ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли (g = 9,8 м/с²). Обычно перегрузка указывается в единицах g.

Например, при взлете пассажирского реактивного самолета пассажиры и летчики испытывают перегрузку около 1,5 g. Это значит, что вес человека во время взлета увеличивается в 1,5 раза. Для гражданских самолетов предельное значение перегрузки составляет 2,5g.

При выполнении фигур высшего пилотажа самолет двигается с большим ускорением, и пилот может испытывать перегрузки до 12g.

Перегрузка 16g для человека смертельна.

Заключение

Таким образом, сила веса — это сила, с которой тело воздействует на опору или подвес. Она зависит от суммы сил, действующих на тело, и численно равна силе реакции опоры (подвеса).

Понимание природы силы веса необходимо для решения многих практических задач из области инженерного дела.