Понятие «вес тела» очень часто используется в повседневной жизни. Многие продукты и материалы покупаются, исходя из измеренного веса. Как правило, в быту понятие веса отождествляется с понятием массы тела. Однако в физике это не одно и то же. Более того, эти величины не равны. Рассмотрим эту тему подробнее, приведём определение и формулу веса тела.
Найдём величину этой силы. На тело, имеющее опору, действует сила тяжести $m overrightarrow {mathrm{g}}$ и сила реакции опоры $ overrightarrow {N}$. По третьему закону Ньютона, тело также действует на опору с равной силой $ overrightarrow {P}= – overrightarrow {N}$ (противоположной по направлению). Эта сила и есть вес тела.
Если опора (и тело вместе с ней) движется вверх с ускорением $ overrightarrow {a}$, то по второму закону Ньютона имеем:
$$overrightarrow {N}+ m overrightarrow {mathrm{g}} = m overrightarrow {a}$$
Учитывая равенство веса и его противоположную направленность относительно реакции опоры, после проецирования на ось координат, направленную вниз, можно записать:
$$P = m (mathrm{g} – a)$$
Это и есть формула веса тела массой $m$, существующего в условиях гравитации (ускорение свободного падения $mathrm{g}$), имеющего опору, которая двигается вверх с ускорением $a$.
Свойства веса тела
Из вышесказанного можно сделать важные выводы.
- Во-первых, как физическая величина, вес является силой. Поэтому единица измерения веса в физике — ньютон.
- Во-вторых, вес — фактически, это проявление сил упругости. Вес появляется в результате взаимодействия тела с опорой.
- В-третьих, вес зависит от ускорения, с которым движется опора. Если опора неподвижна (или движется равномерно и прямолинейно), то вес равен силе тяжести.
Последнее свойство показывает, что вес — это величина непостоянная, и может быть как меньше, так и больше силы тяжести, в зависимости от движения опоры.
Невесомость и перегрузки
Таким образом, вес без опоры не существует. Говорят, что тело, у которого нет опоры, находится в состоянии невесомости.
Обратите внимание, состояние невесомости не зависит от того, действует ли на тело гравитационная сила или нет. Предмет во время свободного падения, кабина лифта в момент начала спуска, когда натяжение троса исчезло, человек во время прыжка — всё это примеры состояния невесомости, которое появляется, несмотря на действие силы тяжести.
Из формулы веса тела следует, что если опора движется с ускорением, у тела появляется вес, который может быть даже больше, чем сила тяжести. В этом случае говорят о возникновении перегрузок.
Поскольку в формулу веса входит масса и сумма ускорения, перегрузку можно измерять в единицах $mathrm{g}$. Для нахождения перегрузки используется формула:
$$k= {m(mathrm{g} + a) over mmathrm{g}}=1+{aover mathrm{g}}$$
Фактически перегрузка показывает, во сколько раз вес тела больше силы тяжести, действующей на тело на Земле. Перегрузка $k=1$ означает обычный вес тела, перегрузка $k=2$ означает, что вес тела вдвое больше, чем сила тяжести и так далее.
Что мы узнали?
Вес тела — это сила, с которой тело действует на опору. Фактически это проявление силы упругости. Тело, у которого нет опоры, находится в состоянии невесомости. Если опора тела двигается с ускорением, тело испытывает перегрузки.
