Вага тіла – фізика
У повсякденному житті дуже часто використовується поняття «вагу». Спробуємо з’ясувати, що ж це за величина. У дослідах, коли тіло ставили на опору, стискалася не тільки опора, а й тіло, притягує Землею.
Деформований, стисле тіло тисне на опору з силою, яку називають вагою тіла.
Якщо тіло підвішене на нитки (підвісі), то розтягнута не тільки нитка (підвіс), але й саме тіло.
Вага тіла – це сила, з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на опору або підвіс.
Як і інші сили, вага – векторна фізична величина. Вага тіла позначається буквою.
Вага тіла, так само як сила тяжіння, завжди спрямований вниз. Однак слід пам’ятати, що сила тяжіння прикладена до тіла (рис. 67, а), а вага – до опори або підвісу (рис. 67, б).
Якщо тіло і опора нерухомі або рухаються рівномірно і прямолінійно, то вага тіла за своїм числовому значенню дорівнює силі тяжіння, т. Е.
тіло і опора нерухомі або рухаються рівномірно і прямолінійно, то вага тіла за своїм числовому значенню дорівнює силі тяжіння
Слід пам’ятати, що сила тяжіння виникає внаслідок взаємодії тіла і Землі.
Вага тіла виникає в результаті взаємодії тіла і опори (підвісу) внаслідок взаємодії тіла і Землі. Опора (підвіс) і тіло при цьому деформуються, що призводить до появи сили пружності.
Питання
1. Що називають вагою тіла?
§ 20. Вага тіла. Невагомість
ЩО ТАКЕ ВАГА ТІЛА? У повсякденному житті досить часто використовують термін «вага». Ми говоримо «вага тіла», «вага продуктів», хоча при цьому мається на увазі маса тіла. У фізиці терміни «маса» і «вага» означають різні фізичні величини.
Розглянемо тіло, що підвішене до динамометра. На саме тіло діє сила тяжіння і сила пружності пружини динамометра. Тому тіло перебуває у стані рівноваги. Але й розтягнута пружина динамометра перебуває у стані рівноваги, незважаючи на те, що сила пружності, яка в ній виникла, намагається повернути її в початковий стан. Отже, тіло, яке перебуває під дією сили тяжіння, теж діє на пружину з деякою силою.
Силу, з якою тіло, що перебуває під дією сили тяжіння, діє на опору (або підвіс), називають вагою тіла.
Таким чином, на крючок динамометра діють дві сили: сила пружності пружини та вага тіла.
Вага, як і будь-яка сила, — векторна величина. Вагу тіла позначають літерою Р. Вага тіла і сила пружності мають протилежні напрями, при цьому модулі цих сил рівні: Р = Fпр.
Саме тому говорять, що динамометром можна визначити не тільки силу пружності, а й вагу тіла. Динамометр ще називають пружинними вагами.
ВАГА ТІЛА ТА СИЛА ТЯЖІННЯ. Вага тіла виникає внаслідок тяжіння до Землі й залежить від стану руху тіла.
Якщо тіло перебуває у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху, то вага тіла за числовим значенням дорівнює силі тяжіння, що діє на тіло: Р = Fтяж, або Р = mg .
При цьому слід пам’ятати, що сила тяжіння і вага тіла мають різну фізичну природу: сила тяжіння виникає внаслідок взаємного притягання тіла і Землі, а вага — внаслідок взаємодії тіла й опори. Саме тому точка прикладання сили тяжіння міститься на тілі, а точка прикладання ваги — на опорі (або підвісі) (мал. 125).
Мал. 125. Точки прикладання сили тяжіння і ваги
ВАГА ТІЛА І МАСА. Одиницею ваги, як і будь-якої сили, є ньютон. Одиницею маси є кілограм. Маса — скалярна величина. Вага — векторна величина. Так, тіло масою 20 кг має вагу 200 Н (вважаючи, що g ≈10 Н/кг), якщо воно перебуває на горизонтальній опорі. Але тіло масою 20 кг може мати вагу, більшу за 200 Н, меншу за 200 Н, або й взагалі не мати ваги. З’ясуємо, коли таке можливо.
ЗАЛЕЖНІСТЬ ВАГИ ВІД УМОВ, У ЯКИХ ПЕРЕБУВАЄ ТІЛО. Вага тіла дорівнює за числовим значенням силі тяжіння, якщо тіло перебуває на нерухомій горизонтальній опорі або опора рухається рівномірно і прямолінійно.
Якщо ж опора разом із тілом рухається вертикально (тобто вгору або вниз) нерівномірно, то тіло тисне на опору з більшою або меншою силою порівняно із рівномірним рухом (мал. 126).
Мал. 126. Залежність ваги тіла від стану руху опори
Розглянемо малюнок 126. У випадку а швидкісний ліфт рухається рівномірно, отже, вага тіла за модулем дорівнює силі тяжіння. У випадку б — ліфт різко стартує вгору, у цей момент вага тіла перевищує силу тяжіння — і ви відчуваєте, як у вас згинаються коліна і вас притискує до підлоги ліфта. У випадку в — при старті ліфта вниз ви відчуваєте легкість. Це можна перевірити на власному досвіді: проїхавши в ліфті, стоячи на терезах.
НЕВАГОМІСТЬ. Якщо припустити, що ліфт під час руху вниз буде з кожною секундою збільшувати швидкість на 9,8 м/с (тобто перебувати у стані вільного падіння), то ваше тіло не буде тиснути на підлогу ліфта і ваша вага дорівнюватиме нулю. Звичайно, це на досліді перевіряти не слід. Самостійно перевірити, як змінюватиметься вага тіла залежно від стану руху опори, можна за допомогою динамометра (мал. 127).
Мал. 127. Залежність ваги тіла від руху динамометра
Отже, якщо опора чи підвіс вільно падають разом із тілом, то кажуть, що вони перебувають у стані невагомості. У цьому разі вага тіла дорівнює нулю. Не забуваймо, що сила тяжіння при цьому не дорівнює нулю, адже внаслідок саме її дії тіло й опора падають.
Якщо штучний супутник або космічна станція обертається навколо Землі, то сама станція, космонавти й усі предмети всередині весь час перебувають у стані невагомості.
Якби сила тяжіння раптово зникла, то космічний корабель внаслідок інерції віддалявся б від Землі в космічний простір по прямій лінії.
При розгоні космічного корабля на старті чи його гальмуванні при посадці вага пілотів збільшується в кілька разів — вони зазнають перевантаження.
У стані невагомості перебуває будь-яке тіло під час вільного, тобто безопірного падіння. Якщо за звичних умов не брати до уваги опір повітря, то в невагомості перебуває спортсмен, який стрибає з вишки в басейн або виконує вправи на батуті. Кожен із вас багато разів короткочасно перебував у стані невагомості під час безопорного руху (бігу, стрибків), коли обидві ноги не торкалися землі. У стані невагомості перебувають сміливці, виконуючи стрибок у прірву на канаті (мал. 128).
Мал. 128. У стані невагомості
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Силу, з якою тіло діє на горизонтальну опору чи розтягує підвіс, на який воно підвішене, внаслідок притягання до Землі, називають вагою тіла.
Сила тяжіння має гравітаційну природу, а вага — електромагнітну. Вага спричинює деформацію опори чи підвісу і породжує силу пружності (силу реакції опори), яка, діючи на тіло, зрівноважує силу тяжіння, перешкоджаючи падінню тіла на Землю.
Якщо ж опора чи підвіс вільно падають із тілом, то кажуть, що вони перебувають у стані невагомості.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ
Дайте відповідь на запитання
- 1. Що називають вагою тіла?
- 2. Чим відрізняється вага від сили тяжіння?
- 3. Чим відрізняється вага від маси тіла?
- 1. За яких умов вага тіла не дорівнює за модулем силі тяжіння?
- 2. Поясніть, як змінюється сила тяжіння та вага дівчинки, що стрибає через скакалку?
ПРИКЛАД РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНОЇ ЗАДАЧІ
Задача. Яка сила тяжіння діє на людину, маса якої 75 кг? Покажіть цю силу на малюнку. Якою буде вага цієї людини на Місяці, якщо відомо, що на Місяці на тіло масою 1 кг діє сила тяжіння 1,62 Н?
Мал. 129. Графічне зображення сили тяжіння та ваги
1. Яка вага сухої соснової дошки, довжина якої 0,5 м, ширина 10 см, товщина 20 мм, а густина становить 500 кг/м 3 ?
2. Визначте вагу сталевого кубика, ребро якого — 10 см.
3. Визначте об’єм алюмінієвої деталі, вага якої — 540 Н.
4. Скільки важить гас, об’єм якого — 18,75 л?
5. Хлопчик, маса якого 40 кг, тримає в руці гирю вагою 100 Н. З якою силою він тисне на землю?
6. Люстра, що підвішена до стелі, діє на неї із силою 49 Н. Яка маса люстри?
1. Вага тіла
Формула визначення ваги нерухомого тіла така ж, як і формула сили тяжіння . Однак вага тіла і сила тяжіння – не одне і те ж.
Наприклад, сила тяжіння вільно падаючої трьохкілограмової цеглини приблизно становить \(30\) \(H\) (\(F = mg\)), а її вага \(P\) в момент падіння дорівнює \(0\) \(H\) (тому що цегла у цей момент не діє ні на опору, ні на підвіс, тобто знаходиться в стані невагомості ).
Якщо поміщене на опору або підвішене тіло нерухомо по відношенню до Землі або знаходиться в рівномірному русі вгору або вниз, тоді вага тіла не змінюється.
Вага змінюється, коли тіло переміщується вгору або вниз з прискоренням.
Під час поїздки в ліфті, якщо ми рухаємося з прискоренням вгору, наша вага збільшується, хоча сила тяжіння залишається незмінною.
Стан невагомості — це стан, коли тіло не тисне на опору і не розтягує підвіс. Таке відбувається, наприклад, коли тіло вільно падає під впливом тільки сили тяжіння.
Тому, що космічний корабель знаходиться у вільному падінні (він весь час як би падає на Землю, але пролітає повз). Це відбувається, коли космічний корабель досягає 1 -ї космічної швидкості ( 7,9 км/с) .
Якщо швидкість космічного корабля була б менше, він впав би на Землю, а якщо корабель досяг би 2 -ї космічної швидкості ( 11,2 км/с) , він вийшов би з поля дії гравітації та міг би стати штучним супутником Сонця.
Якщо швидкість космічного корабля досягне 3 -ї космічної швидкості ( 16,7 км/с) , тоді корабель зможе прямувати з Сонячної системи до інших зірок.
На жаль, до найближчої зоряної системи Альфа Центавра потрібно летіти \(18000\) років, оскільки вона знаходиться на відстані \(4\) світлових років.
Цікаво, що для того, щоб досягти Місяця, ракета повинна розвивати швидкість, рівну \(0,992\) від другої космічної швидкості.
