Сила тяжести

Содержание

Задачи на Законы Ньютона с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на Законы Ньютона с решениями».

Задача № 1.
 Какое ускорение приобретет тело массой 500 г под действием силы 0,2 Н?

Задача № 2.
 Сила 30 Н сообщает телу ускорение 0,4 м/с. Какая сила сообщит тому же телу ускорение 2 м/с2 ?

Задача № 3.
 Какую скорость приобретает тело массой 3 кг под действием силы, равной 9 Н, по истечении 5 с?

Задача № 4.
 Сколько времени потребуется автомобилю массой 700 кг, чтобы разогнаться из состояния покоя до скорости 72 км/ч, если сила тяги двигателя 1,4 кН?

Задача № 5.
 Поезд массой 500 т, трогаясь с места, через 25 с набрал скорость 18 км/ч. Определите силу тяги.

Задача № 6.
 Под действием постоянной силы, равной 10 Н, тело движется прямолинейно так, что зависимость координаты тела от времени описывается уравнением х = 3 — 2t + t2. Определите массу тела.

Задача № 7.
 Скорость тела массой 2 кг изменяется со временем так, как представлено на графике рисунка.
Найдите силу, действующую на каждом этапе этого движения. Определите по графику, на каком этапе движения тело прошло наибольший путь.

Задача № 8. (повышенной сложности)
 Начальная скорость тела, находящегося в точке А, равна нулю. В течение 8 с на тело действует постоянная сила. Затем направление силы изменяется на противоположное, а модуль остается прежним. Через какое время от начала движения тело вернется в точку А?

Ответ: через 27 с.

Задача № 9. (повышенной сложности)
 Самолет массой 14 т, пройдя по взлетной полосе путь 600 м, приобретает необходимую для отрыва от поверхности Земли скорость 144 км/ч. Считая движение равноускоренным, определите время разгона, ускорение и силу, сообщающую самолету это ускорение.

Задача № 10.
  ОГЭ
 Вагон массой m = 20 т движется равнозамедленно с ускорением а = 0,3 м/с2 и начальной скоростью v= 54 км/ч. Найти силу торможения, действующую на вагон, время его движения до полной остановки и путь, пройденный за это время.

Задача № 11.
   ЕГЭ
 Два тела массами m1 = 1 кг и m2 = 2 кг, находящиеся на гладкой горизонтальной поверхности, связаны нерастяжимой нитью. Ко второму телу в горизонтальном направлении приложена сила F = 10 Н. Найти ускорение а, с которым движутся оба тела, и силу Т натяжения нити.

Раздел механики, изучающий законы Ньютона, называется динамикой. Если при изучении кинематики рассматривается вопрос: как тело движется (равномерно, равноускоренно и т. д.), то динамика дает ответ: почему тело движется так, а не иначе.

Если . Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет свою скорость неизменной, если на него не действуют другие тела (или их действие скомпенсировано), (или равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю).

Если Если на тело действует постоянная сила (или несколько сил), то тело движется с постоянным ускорением. Причем ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе. Вектор ускорения сонаправлен с вектором равнодействующей сил.

При решении простых задач, где на тело действует только одна сила, можно применять формулу сразу. Если же на тело действует несколько сил, то нужно делать чертеж и геометрическим путем определять направление равнодействующей сил.

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.

  1. Силы появляются парами.
  2. Силы одной природы.
  3. Силы приложены к разным телам, поэтому не могут уравновешивать друг друга.

Например, Земля притягивает к себе тело массой 1 кг с силой 9,8 Н. Камень точно с такой же силой притягивает к себе Землю. Однако ускорения эти тела приобретают различные, так как у них разные массы. Камень получает большое ускорение вследствие своей малой массы, а Земля получает мизерное ускорение вследствие своей огромной массы.

Задачи на Законы Ньютона повышенной сложности — это задачи на движение тела под действием нескольких сил: по наклонной плоскости, движение связанных тел и т. д.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на Законы Ньютона с решениями». Выберите дальнейшие действия:

  • Перейти к теме: ЗАДАЧИ на применение Закона всемирного тяготения
  • Посмотреть конспект по теме ДИНАМИКА: вся теория для ОГЭ (шпаргалка)
  • Вернуться к списку конспектов по Физике.
  • Проверить свои знания по Физике.

Применение закона всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения – это фундаментальный закон механики, после формулировки которого стало возможно объяснение и предсказание множества природных явлений. К ним относятся:

  • приливы и отливы;
  • точное время и место лунных и солнечных затмений;
  • масса Солнца и других астрономических тел;
  • орбиты движения планет и их спутников.

Открытие планет с использованием закона всемирного тяготения

После открытия явления притяжения астрономы и физики могли, опираясь на закон Ньютона и соотношения Кеплера, определять траектории движения наблюдаемых планет Солнечной системы и указывать их координаты в любой момент времени, причём правильность вычислений подтверждалась эмпирически – результатами астрономических наблюдений.

В 1781 году Уильямом Гершелем была открыта седьмая планета Солнечной системы – Уран. Следуя отработанному алгоритму, астроном рассчитал траекторию своего открытия и его орбиту, однако в первой половине XIX века учёные обнаружили несоответствие вычисленных и реальных координат. Возникло предположение, что, помимо Солнца и шести других планет, на Уран воздействует ещё одна планета, находящаяся за ним.

В 1846 году ночью 23 сентября на основании теоретических расчётов, выполненных по имеющимся отклонениям Урана от рассчитанной траектории, молодым сотрудником Британской обсерватории Иоганном Галле была обнаружена предсказанная планета, названная Нептуном.

планета Нептун

Интересный факт: расчёты, после проведения которых стало возможно открытие, в одно и то же время совершили два учёных, независимо друг от друга – Джон Адамс и Урбен Леверье.

Спустя практически 100 лет, 18 февраля 1930 года, подобным образом была открыта девятая планета – Плутон, которая из-за относительно небольших размеров и массы считается карликовой.

Задачи

Решение первой задачи

$g_1 = \gamma {M \over R^2} = {6,67 \cdot 10^{-11}}{{1,9 \cdot 10^{27}} \over 69911^2} = 25,9 м/c$ – ускорение свободного падения на поверхности Юпитера.

$g_2 = \gamma {M \over (R+h)^2} = {6,67 \cdot 10^{-11}}{{1,9 \cdot 10^{27}} \over 70031^2} = 25,8 м/c$ – ускорение свободного падения на высоте 120 км от поверхности Юпитера.

$F = mg_2 = 516 кН$ – сила тяжести, действующая на космический корабль на высоте 120 км от поверхности Юпитера.

Решение второй задачи

$F_1 = \gamma {mM_1 \over (R_1+h)^2} = {6,67 \cdot 10^{-11}}{{133 \cdot 10^{24}} \over 6871^2} = 568 Н$ – сила тяжести, действующая на космонавта на высоте 500 км от поверхности Земли.

$F_2 = \gamma {mM_2 \over (R_2)^2} = {6,67 \cdot 10^{-11}}{{515 \cdot 10^{22}} \over 1737^2} = 15,6 Н$ – сила тяжести, действующая на космонавта на Луне.

$F_1 – F_2 = 552,4 Н$

Что мы узнали?

В ходе урока был разобран закон всемирного тяготения, выведена формула для расчета ускорения свободного падения и введено понятие потенциала гравитационного поля. После чего было рассмотрено ускорение свободного падение на Земле и приведена формула силы тяжести, действующей на тела в гравитационном поле нашей планеты. В завершении урока были разобраны две задачи на пройденную тему.

  1. /10

    Вопрос 1 из 10

    Закон тяготения установил, что сила притяжения двух тела обратно пропорциональна:

    • Произведение масс этих тел

    • Расстоянию между телами

    • Квадрату массы притягивающего тела

    • Квадрату расстояния между телами

Сила притяжения земли

Если в формулу (2) подставить значения массы Земли и ее радиуса, то получим ускорение свободного падения на Земле. В силу того, что наша планеты приплюснута с боков, то значение g будет наибольшим на полюсах и наименьшим на экваторе. Влияет также и вращение планеты вокруг собственной оси, что создает инерциальные силы. В целом g принимают равным 9,8 м/с2, что является средним значением на поверхности Земли.

Рис. 3. Форма Земли и значение g.

С подъемом на высоту ускорение свободного падения уменьшается, но незначительно. На 5 км оно все еще приблизительно равно 9,8 м/с2. Поэтому в большинстве задач этим изменением пренебрегают.

Произведение $mg$ называет силой тяжести, действующей на тело массой m в гравитационном поле Земли. Сила тяжести является одной из трех важнейших сил в классической механике.

Методы измерения силы тяжести[править | править код]

Силу тяжести измеряют динамическими и статическими методами. Динамические методы используют наблюдение за движением тела под действием силы тяжести и измеряют время перехода тела из одного заранее определённого положения в другое. Они используют: колебания маятника, свободное падение тела, колебания струны с грузом. Статические методы используют наблюдение за изменением положения равновесия тела под действием силы тяжести и некоторой уравновешивающей её силы и измеряют линейное или угловое смещение тела.

Измерения силы тяжести бывают абсолютными и относительными. Абсолютные измерения определяют полное значение силы тяжести в заданной точке. Относительные измерения определяют разность силы тяжести в заданной точке и некоторого другого, заранее известного значения. Приборы, предназначенные для относительных измерений силы тяжести, называются гравиметрами.

Динамические методы определения силы тяжести могут быть как относительными, так и абсолютными, статические — только относительными.

В каких случаях справедлив закон всемирного тяготения

Выявленная Ньютоном зависимость имеет ограничения в области применения. Так, закон справедлив только в случаях, когда:

  1. тела можно принять материальными точками, то есть их размеры настолько малы по отношению к расстоянию, что ими можно пренебречь;
  2. тела обладают сферической формой, что свидетельствует об однородном распределении массы внутри них;
  3. одно из тел – шар большого диаметра, а второе имеет несопоставимо маленькие размеры.

когда справедлив закон всемирного тяготения

Соотношение неприменимо, если требуется описать взаимодействие шара и стержня бесконечной длины. В этом случае сила притяжения будет пропорциональна не квадрату расстоянию, а его модулю. А если существует потребность определить тяготение между бесконечной плоскостью и телом, расстояние вообще не будет иметь влияния.

Вес тела

В быту широко применяется такое понятие, как вес тела. В физике он обозначается буквой P. Вес – это сила, с которой тело давит на опору. В бытовом понятии вес часто подменяется понятием «масса», хотя это совершенно разные величины. В зависимости от того, какое значение принимает сила тяжести, изменяется и вес тела. Например, вес свинцовой детали на Земле и Луне будет отличаться. А вот масса остается неизменной и на Земле, и на Луне. Кроме этого, в определенных случаях вес тела может быть нулевым. Вес — величина, имеющая направление, а масса — скаляр.

Но так как согласно третьему закону Ньютона действие равно противодействию, вес тела равен силе реакции опоры.

Так как силу реакции простой опоры измерить довольно трудно, то опыт можно «перевернуть», подвесив какое-либо тело на пружину и измеряя степень растяжения этой пружины. При этом сила, растягивающая пружину с грузом, будет иметь вполне логичное F=mg, где m — масса, а g — ускорение свободного падения.

Значение закона притяжения

Данный закон универсален и может применяться к любым двум телам, имеющим массу. В случае, когда масса одного взаимодействующего тела много больше массы другого, можно говорить о частном случае гравитационной силы, для которого имеется специальный термин «сила тяжести». Это понятие применяется для задач, вычисляющих силу притяжения на Земле или других небесных телах. Если подставить значение силы тяжести в формулу второго закона Ньютона, то получим значение F=ma. Здесь а – ускорение силы тяжести, которое заставляет тела стремиться друг к другу. В задачах, связанных с использованием ускорения свободного падения, его обычно обозначают буквой g. С помощью разработанного им интегрального исчисления Ньютон математически доказал, что сила тяжести в шаре всегда сосредоточена в центре большего тела. В паре яблоко-Земля вектор ускорения направлен к центру земли, в паре Земля-Солнце направлен к Солнцу и так далее.

Всемирное тяготение Ньютона

В физике действие силы тяготения проявляется в притяжении двух объектов, обладающих конечной массой. Сила тяжести является достаточно слабой, если ее сравнивать с электрическими или ядерными взаимодействиями. Она проявляется в космических масштабах (движение планет, звезд, галактик).

В XVII веке Исаак Ньютон, изучая движение планет вокруг Солнца, пришел к формулировке закона, который носит название всемирного тяготения. В физике формула силы гравитации записывается так:

Формула позволяет рассчитать, с какой силой два тела массами m1*m2, находящиеся на расстоянии r друг от друга, притягиваются. Величина G = 6,674*10−11 Н*м2/кг2 — константа.

Экспериментальное определение значения G было выполнено лишь в конце XVIII века Генри Кавендишем, который использовал в своем опыте крутильные весы. Этот эксперимент позволил определить массу нашей планеты.

В формуле выше, если одним из тел будет наша Земля, тогда сила тяготения для любого предмета, находящегося вблизи земной поверхности, будет равна:

Здесь M — масса планеты, R — ее радиус (расстояние между телом и центром Земли приблизительно равно радиусу последней). Последнее выражение является математическим представлением величины, которую принято называть весом тела, то есть:

Выражение показывает, что в физике сила тяжести эквивалентна весу тела. Величину P измеряют, зная силу противодействия опоры, на которой находится данное тело.

Сила трения

В физике этот вид силового воздействия является не менее частым, чем рассмотренные выше. Возникает трение всегда, когда объект начинает двигаться. В общем случае в физике силу трения принято относить к одному из 3-х типов:

  • покоя;
  • скольжения;
  • качения.

Первые два типа описываются следующим выражением:

Здесь μ — коэффициент трения, значение которого зависит, как от типа силы (покоя или трения), так и от материалов трущихся поверхностей.

Трение качения, ярким примером которого является движущееся колесо, рассчитывается по формуле:

Здесь R — радиус колеса, f — коэффициент, который отличается от μ не только значением, но и размерностью (μ безразмерен, f измеряется в единицах длины).

Любой тип силы трения всегда направлен против движения, прямо пропорционален силе N и не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

Причиной появления трения между двумя поверхностями является наличие на них микронеоднородностей, приводящих к их «зацеплению» подобно маленьким крючочкам. Это простое объяснение является достаточно хорошей аппроксимацией реально происходящего процесса, который намного более сложен, и для глубокого понимания предполагает рассмотрение взаимодействий в атомных масштабах.

Приведенные формулы относятся к трению твердых тел. В случае же текучих субстанций (жидкости и газы) трение также присутствует, только оно уже оказывается пропорциональным скорости движения объекта (квадрату скорости при быстрых перемещениях).

Сила тяжести

К 7 классу известно, что сила тяжести — это сила, возникающая при гравитационном взаимодействии тел, имеющих массу. Она пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила тяжести описывается формулой закона всемирного тяготения И. Ньютона. Для Земли и тела массой $m$, находящегося на высоте $h$ над Землей, она равна:

$$F_т=G{mM\over (R+h)^2}$$,

где:

  • G — гравитационная постоянная ($6.67×10^{-11} {Н×м^2\over кг^2}$);
  • M — масса Земли ($5.97×10^24$ кг);
  • R — радиус Земли ($6.37×10^6$ м);
  • m — масса тела, кг;
  • h — высота центра тяжести тела над Землей, м.

Сила тяжести приложена к рассматриваемому телу и направлена от центра масс тела к центру Земли. Она действует постоянно и не зависит ни от каких других факторов. «Укрыться» от нее невозможно, как-то ее изменить (без изменения масс и расстояний) — тоже.

Рис. 1. Сила тяжести.

Сила: что это за величина

Прежде чем говорить о силе Архимеда, нужно понять, что это вообще такое — сила.

В повседневной жизни мы часто видим, как физические тела деформируются (меняют форму или размер), ускоряются и тормозят, падают. В общем, чего только с ними не происходит! Причина любых действий или взаимодействий тел — ее величество сила.

Сила — это физическая векторная величина, которая воздействует на данное тело со стороны других тел. Сила измеряется в ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.

Поскольку сила — величина векторная, у нее, помимо модуля, есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.

история

Античность

В связи с проблемой движения тел греческий философ Аристотель в 4 веке до н.э. Тела в среде, подобной воде: тяжелые тела движутся вниз из-за «своей тяжести», легкие движутся вверх из-за «своей легкости» («тяжелые» и «легкие» здесь означают: больший или меньший удельный вес, чем вода), и это очевидно, с постоянной скоростью. Следовательно, в одной и той же среде более тяжелые тела опускаются на землю быстрее, чем менее тяжелые, а в разных средах скорость обратно пропорциональна сопротивлению среды. В пустом пространстве без среды скорость спуска должна быть бесконечно большой, поэтому такого «вакуума» быть не могло. Эти воззрения были распространены на все виды движений поздней античностью , учеными и учеными- схоластами , хотя они не соответствуют переживаниям метания и падения в воздухе и поэтому также подвергались сомнению как общее свойство свободного падения. Так было описано еще в 55 г. до н.э. Римский поэт и философ Лукреций в своей работе De rerum natura («О природе вещей») утверждает, что падающие объекты замедляются только сопротивлением среды, и поэтому легкие тела должны падать медленнее, но в вакууме все тела должны падать с одинаковой скоростью .

От Simplikios (прибл . 485-550) это рукой вниз , что Стратон фон Lampsakos (340 г. до н.э. — 268 г. до н.э.) уже выведена в ускоренную движение за счет образования капель воды при падении с крыши .

эпоха Возрождения

В 1554 году Джованни Баттиста Бенедетти с помощью мысленного эксперимента по свободному падению двух отдельных или двух связанных мячей показал, что скорость не может зависеть от отношения веса и сопротивления, а зависит от разницы в удельном весе тела и среднего. В вакууме все тела одинаковой плотности должны были бы падать с одинаковой скоростью. Это было подтверждено для среды воздуха Саймоном Стевином в 1586 году в ходе одного из первых решающих экспериментов в современной науке, когда он услышал, как два свинцовых шара разного веса ударились о дно при падении с высоты около 10 м. Галилей, которому часто приписывают проведение этого эксперимента несколько лет спустя в Пизанской башне, вероятно, никогда этого не делал.

Законы падения Галилея

В 1971 году Дэвид Рэндольф Скотт продемонстрировал тезис Галилея в вакууме лунной поверхности с помощью молотка и ястребиного пера о том, что все тела падают с одинаковой скоростью, независимо от их массы.

С другой стороны, в своем « Де Моту» («Движение») около 1590 года Галилео Галилей все еще был на стороне Аристотеля: «Если вы уроните шарик из свинца и кусок дерева с высокой башни, свинец уйдет далеко. вперед. «Только после своих экспериментов на наклонной плоскости, с точными измерениями и их математическим анализом, Галилей в 1609 году смог математически правильно описать свободное падение и тем самым опровергнуть аристотелевское описание. У него еще не было точного таймера, поэтому он замедлил движение, катя мяч по сточной канаве. Как часы z. Б. Точный баланс количества воды, которая тонкой струйкой вылилась из ведра в стакан при прохождении определенного расстояния. Он также использовал свой пульс, а также способность своего слуха оценивать точность ритма периодических звуков. В своей последней работе Галилео Сальвиати, олицетворение его нынешних взглядов, вкладывает в рот следующее резюме:

— Галилео Галилей : Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno à due nuove scienze (1638)

Эта поздняя работа Галилея также признана началом классической физики, поскольку она представляет «законы падения Галилея»: в вакууме все тела падают с одинаковой скоростью, и их движение ускоряется равномерно. Другими словами: ваша скорость падения пропорциональна времени падения, расстояние падения пропорционально квадрату времени падения. Ускорение одинаково для всех тел в одном месте.

После того, как существование вакуума было доказано изобретением воздушного насоса и ртутного барометра , Роберт Бойль экспериментально подтвердил в 1659 году, что тела разной массы и состава падают в вакууме с одинаковой скоростью.

Закон всемирного тяготения Ньютона

Затем Исаак Ньютон сформулировал — в Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, опубликованном в 1687 году  — единый закон всемирного тяготения . С помощью закона всемирного тяготения Ньютона, названного в его честь, теперь можно объяснить орбиты лун и планет, а также свободное падение объектов на Земле. Помимо описания этого математического закона, Ньютон воздержался от всех дальнейших объяснений, почему сила гравитации дает всем телам в одном и том же месте одинаковое ускорение, независимо от их материала или другой природы. Более глубокое описание гравитации удалось найти только в рамках общей теории относительности .

Сила отдачи

Все знают, что при стрельбе из любого огнестрельного оружия возникает так называемая отдача. Она проявляется в том, что приклад ружья ударяет по плечу стрелка, а танк или пушка откатываются назад, когда вылетает снаряд из дула. Все это проявления силы отдачи. Формула для нее аналогична той, которая была дана в начале статьи при определении понятия «сила».

Как можно догадаться, причина появления сил отдачи заключается в проявлении закона сохранения импульса системы. Так, вылетевшая из дула ружья пуля уносит ровно такой импульс, которым приклад бьет по плечу стрелка, в итоге полное количество движения остается постоянным (равным нулю для относительно покоящейся системы).

Закон Джоуля-Ленца

На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.

Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.

Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока.

Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:

  • количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;

  • тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.

Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.

Вес тела

Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Измеряется вес, как и любая другая сила, в Ньютонах.

«Но погодите! Вес же измеряют в килограммах — я вот вешу 50»

Это не совсем верно. В быту мы часто подменяем понятие «масса» понятием «вес» и говорим: вес чемодана — десять килограммам. В физике это два совершенно разных понятия, которые при этом взаимосвязаны.

Если у вас неподалеку есть весы — приглашаем в эксперимент! Один нюанс: наша затея сработает именно с механическими весами, но не с электронными. Поехали!

Шаг 1. Если встать на весы ровно и не двигаться — ваш вес будет высчитываться по формуле:

P = mg

P — вес тела

m — масса

g — ускорение свободного падения [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Здесь может возникнуть два возражения:

  1. Это же сила тяжести, а не вес. Формула такая же!
  2. На весах масса отображается в килограммах. И если я свою массу умножу на ускорение свободного падения, то явно получу число почти в 10 раз больше, чем показывают весы.

Точка приложения силы. Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Весы измеряют силу. Весы работают таким образом, что измеряют вес тела — силу, с которой мы на них действуем, а показывают — массу. Можно сделать вывод, что весы — это динамометр (прибор, измеряющий силу).

Продолжаем эксперимент.

Шаг 2. Теперь пошалим и резко встанем на носочки! Стрелка резко отклонилась влево, а потом вернулась на место. Вы придали себе ускорение, направленное вверх — в то время, как ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли (вниз).

Теперь вес тела вычисляем по формуле:

P = m (g-a)

P — вес тела

m — масса

g — ускорение свободного падения [м/с2]

a — ваше ускорение [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Шаг 3. Последняя часть эксперимента — резко опуститься на пятки. Теперь вы сильнее давите на весы, потому что придали ускорение, направленное вниз. Стрелка весов отклонится вправо и вернется на место, когда вы придете в состояние покоя.

Формула веса примет вид:

P = m (g+a)

P — вес тела

m — масса

g — ускорение свободного падения [м/с2]

a — ваше ускорение [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Кстати, если ровно стоять на весах, но взвешиваться в лифте — все будет работать наоборот. Если лифт едет вверх, то он как будто давит весами на человека, стоящего на них, а это как раз ситуация с увеличением веса. А если вниз — весы как будто бы от вас «убегают», чтобы показать меньшее значение.

Этот случай мы можем описать через 2 закон Ньютона. Возьмем лифт, который едет вниз. Обозначим силы на рисунке.

N – сила реакции опоры ;

mg – сила тяжести ;

a – ускорение, с которым движется лифт [м/с2].

N + mg = ma

При проецировании на ось y, направленную вниз, мы получаем:

-N + mg = ma

А теперь нам понадобится третий закон Ньютона — по нему сила реакции опоры равна весу тела:

P = N

-P + mg = ma

P = m(g-a)

Гравитационное взаимодействие

Земля — это большой магнит. Причем на самом деле магнит, с настоящим магнитным полем. Но сейчас речь пойдет о другом явлении, которое притягивает к Земле тела — от прыгающего с дерева котика до летящего мимо астероида. Называется это явление гравитацией.Земля — это большой магнит. Причем на самом деле магнит, с настоящим магнитным полем. Но сейчас речь пойдет о другом явлении, которое притягивает к Земле тела — от прыгающего с дерева котика до летящего мимо астероида. Называется это явление гравитацией.

Возьмем два тела — одно с большой массой, другое с маленькой. Натянем гигантское полотно ткани и положим на него тело с большей массой. После чего положим туда тело с массой поменьше. Мы будем наблюдать примерно такую картину:

Маленькое тело начнет притягиваться к тому, что больше, — это и есть гравитация. По сути, Земля — это большой шарик, а все остальные предметы — маленький (даже если это вовсе не шарики).

Гравитационное взаимодействие универсально. Оно справедливо для всех видов материи. Гравитация проявляется только в притяжении — отталкивание тел гравитация не предусматривает.

Из всех фундаментальных взаимодействий гравитационное — самое слабое. Хотя гравитация действует между всеми элементарными частицами, она настолько слаба, что ее принято не учитывать. Все дело в том, что гравитационное взаимодействие зависит от массы объекта, а у частиц она крайне мала. Эту зависимость впервые сформулировал Исаак Ньютон.

Зависимости силы тяжести от широты

Сила тяжести на Земле зависит от высоты тела под поверхностью планеты и от широты, на которой проводится эксперимент. Высота тела влияет на значение R, как видно, чем дальше расстояние от поверхности Земли, тем величина g меньше. Связь силы тяжести с широтой объясняется тем, что Земля имеет форму не шара, а геоида. У полюсов она немного сплюснута. Поэтому расстояние от центра Земли до экватора и до полюса будет разным – до 10 %. Такое расхождение делает весьма неудобным расчеты, например расчеты грузов трансконтинентальных перевозок. Поэтому за основу принимают показатель силы притяжения на средних широтах 9,81 м/с2 .

Понятие о силе

Вопрос, что такое сила в физике, начнем рассматривать с ее определения. Под ней полагают величину, способную изменять количество движения рассматриваемого тела. Математическое выражение для этого определения выглядит так:

Здесь dp¯ — это изменение количества движения (иначе его называют импульсом), dt — промежуток времени, за который оно изменяется. Отсюда видно, что F¯ (сила) является вектором, то есть для ее определения необходимо знать, как модуль (абсолютное значение), так и направление ее приложения.

Как известно, импульс измеряется в кг*м/с. Это означает, что F¯ вычисляется в кг*м/с2. Эта единица измерения получила название ньютона (Н) в СИ. Поскольку единица м/с2 — это мера измерения линейного ускорения в классической механике, то из определения силы автоматически следует 2-й закон Исаака Ньютона:

В такой формуле a¯ = dv¯/dt — ускорение.

Эта формула силы в физике показывает, что в ньютоновской механике величина F¯ характеризуется ускорением, которое она может сообщить телу с массой m.

Дальнейшее развитие

С момента создания теории притяжения многие учёные, не разделявшие научных взглядов Ньютона, стремились усовершенствовать его закон. А возникновение трудностей XIX века, подвергших сомнению основы, потребовало внесение коррективов, которые могли бы объяснить расхождение наблюдаемого и рассчитанного. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), которая объяснила смещение перигелия Меркурия и сегодня является самой перспективной теорией гравитации, доказанной множеством экспериментов.

ОТО имеет чётко выраженные границы применимости, что выражается, например, в невозможности её применения при рассмотрении квантовых эффектов. Поэтому потребовалась новая теория, в которой уже сегодня стремятся объединить теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Две указанные теории основываются на различных наборах постулатов, но, несмотря на это, квантовая гравитация – одно из основных и перспективных направлений для физических исследований.