Примеры проявления силы веса

Сила веса

Что такое сила веса

Вес тела является силой влияния этого тела на опору в виде подвеса или иной разновидности крепления, которая препятствует падению, и возникает в области воздействия силы тяжести.

Вес тела в единицах СИ измеряется в Ньютонах (Н).

Термин «вес» обычно не применяется в законах в физике. Чаще всего используют понятия «масса» и «сила». Более содержательная величина — это сила воздействия на опору. Если ее рассчитать, то можно, к примеру, оценить абсолютную способность опоры стабилизировать положение рассматриваемого тела в определенных условиях.

История понятия

Еще древнегреческие философы оперировали определениями тяжести и легкости тел, как неотъемлемыми их физическими свойствами.

В 1901 году была проведена третья Генеральная конференция по мерам и весам. В рамках мероприятия было подчеркнуто, что понятие «вес» соответствует величине аналогичной природы, что и определение «сила». На конференции было отмечено понятие веса тела, как произведение массы тела на ускорение, вызванное гравитацией. Стандартным весом тела было принято называть произведение массы тела и стандартного ускорения, которое составляет 980,665 см/с2.

Способы измерения

Прибором, позволяющим измерить вес тела, являются пружинные весы. Если они градуированы, то с их помощью можно определить массу тела.

Принцип действия рычажных весов заключается в сравнении масс объектов, которые подвержены воздействию равного ускорения свободного падения, либо суммы ускорений в случае неинерциальных систем отсчета.

Если используют технические пружинные весы, то ускорение свободного падения, как правило, не учитывают. Это связано с минимальным влиянием этой величины на измерения, которая меньше, чем практически необходимая точность взвешивания.

Для газообразной и жидкой среды характерно действие силы Архимеда, что объясняет разницу измерений веса по сравнению с взвешиванием аналогичного тела в вакууме.

Важные формулы для расчета веса тела

В том случае, когда тело находится в состоянии покоя в условиях инерциальной системы отсчета, его вес Р будет равен силе тяжести, которая воздействует на тело, пропорционален массе m и ускорению свободного падения g в рассматриваемой точке.

Формула для расчета веса имеет вид:

Ускорение свободного падения является зависимой величиной. Оно определяется высотой над поверхностью Земли, а также географическими координатами точки измерения.

В результате вращения Земли в течение суток наблюдается широтное уменьшение веса. Таким образом, данная величина на экваторе будет меньше, чем на полюсах. Значение g также меняется в связи с гравитационными аномалиями. Они объясняются неодинаковым строением поверхности планеты. Если объект находится не на Земле, а близко к поверхности другой планеты, то величина ускорения свободного падения будет определяться массой и габаритами этой планеты.

Невесомость — отсутствие веса. Данное состояние возможно при удалении тела от объекта, который его притягивал, либо в том случае, когда тело пребывает в свободном падении, то есть:

Тело, масса которого m, может быть подвержено воздействию других сил. Такие силы обусловлены гравитационным полем. Примерами являются сила Архимеда и сила трения.

Отличие силы веса тела от силы тяжести

Термины силы тяжести и веса отличаются. Оба понятия применимы для теории гравитационного поля в физике. Нередко их неверно используют в разном контексте. Это связано с тем, что в стандартном понимании такие определения, как масса в виде свойства материи и вес, воспринимаются в качестве тождественных. По этой причине важно правильно понимать тяжесть и вес тела при рассмотрении научных вопросов. Часто эти две концепции применяются, как взаимозаменяемые.

Сила, направленная на тело со стороны Земли или другого астрономического объекта, является силой тяжести:

Сила воздействия тела на опору или вертикальный подвес является весом тела, которая обозначена буквой W и представляет собой векторную величину.

При этом наблюдают процесс отталкивания атомов или молекул объекта от частиц основания. В результате:

Примеры задач для расчета веса тела

Требуется определить массу шара из свинца, если его вес составляет 600 Н.

Ответ: масса шара равна 60 килограмм.

Имеется футбольный мяч, который весит 400 грамм. Требуется вычислить его вес и силу тяжести, оказывающую на него воздействие.

P = F (тяж) = 0,4 * 10 = 4

Ответ: вес мяча и сила тяжести равны 4 Н.

Необходимо определить вес воды, объем которой составляет 3 кубических дециметра.

Ответ: вес воды равен 29,4 Н.

К потолку подвешена люстра. Она действует на подвес с силой 49 Н. Требуется определить массу люстры.

Ответ: масса люстры составляет 5 килограмм.

Вес на других планетах

Вес тела зависит от гравитационного ускорения. Притяжение на других планетах определяется их массой и удалением поверхности от центра тяжести. Сравнить гравитационные ускорения можно с помощью таблицы:

Источник

Понятие и определения

Массой (обозначается буквой m) называют одну из физических величин, таких, как объём, определяющих количество вещества в объекте. Существует несколько явлений, которые позволяют её оценить. Среди теоретиков есть мнение, что некоторые из этих явлений могут быть независимы друг от друга, но в ходе экспериментов не обнаружено различий в результатах от способа измерений массы:

Человек чувствует свою массу находясь в контакте с другой поверхностью. Это может быть стулом, земной твердью, креслом космонавта во время ускорения в ракете. В этих примерах речь идёт о величине, которую физики называют весом, а субъективно воспринимающимся как кажущийся вес.

Он равен фактической измеряемой массе почти во всех бытовых случаях, за следующими исключениями:

Гравитационный подход

В большинстве случаев при определении понятия веса (принятое обозначение — P, по-латински пишется как pondus) оперируют так называемым гравитационным определением. В учебниках физики формула веса для тела описывает величину как силу, действующую на объект в результате земного притяжения. На языке математики это определяется выражением P=mg, где:

Из формулы вытекает, в чём измеряется вес: количественно он рассчитывается в тех же единицах, что и сила. Поэтому, согласно Международной системе единиц (СИ), P измеряется в Ньютонах.

Гравитационное поле Земли не является однородным и варьируется в пределах 0,5% по поверхности планеты. Соответственно, величина g также непостоянна. Общепринятым считается значение, называемое стандартным и равное 9,80665 м/с2. В различных местах на поверхности Земли фактическое ускорение свободного падения составляет (м/с2):

В 1901 году третья Генеральная конференция по весам и мерам установила: вес означает количество такой же природы, что и сила, То есть определила его как вектор, так как сила — векторная величина. Тем не менее некоторые школьные учебники физики и сейчас принимают P за скаляр.

Контактное определение

Другой подход описывает явление с позиции понимания какую силу называют весом тела. В этом случае P определяется процедурой взвешивания и означает силу, с которой объект действует на опору. Этот подход предполагает различие результатов в зависимости от деталей.

Например, объект в свободном падении оказывает незначительное воздействие на опору, однако, нахождение в невесомости не меняет вес в соответствии с гравитационным определением. Следовательно, подобный подход требует нахождения исследуемого тела в состоянии покоя, под действием стандартной гравитации без влияния центробежной силы вращения Земли.

Кроме того, контактное определение не исключает искажения от плавучести, которое уменьшает измеренный вес объекта. В воздухе на тела также действует сила, аналогичная влияющей на погружённое в воде. Для объектов с низкой плотностью эффект влияния становится более заметен. Примером тому может служить наполненный гелием воздушный шар, обладающий отрицательным весом. В общем смысле любое воздействие оказывает искажающий эффект на контактный вес, например:

История понятия

Понятия тяжести и лёгкости в качестве неотъемлемых свойств физических тел упоминаются ещё древнегреческими философами. Платон описывал вес как естественную тенденцию предметов к поиску себе подобных. Для Аристотеля лёгкость была свойством в восстановлении порядка основных элементов: воздуха, земли, огня и воды. Архимед рассматривал вес как качество, противоположное плавучести. Первое контактное определение было дано Евклидом, описывающее величину как лёгкость одной вещи по сравнению с другой, измеряемую балансом.

Когда средневековые учёные обнаружили, что на практике скорость падающего предмета со временем возрастала. Они изменили концепцию веса для сохранения причинно-следственных связей между явлениями. Понятие было разделено для тел в состоянии покоя и находящихся в гравитационном падении.

Значительных результатов в теории добился Галилей, пришедший к выводу, что величина пропорциональна количеству вещества в объекте, а не скорости его движения, как предполагала Аристотелева физика. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения привело к принципиальному отделению веса от фундаментального свойства объектов, связанных с инерцией. Факторы окружающей среды и плавучесть учёный считал искажением условий измерения. Для подобных обстоятельств он ввёл термин кажущийся вес.

В XX веке ньютоновские концепции абсолютного времени и пространства были поставлены под сомнение работами Эйнштейна. Теория относительности поставила всех наблюдателей, движущихся и ускоряющихся, в разные условия. Это привело к двусмысленности относительно того, что именно подразумевается под массой, которая вместе с гравитационной силой стала по существу зависящей от системы отсчёта величиной.

Неоднозначности, порождённые относительностью, привели к серьёзным дебатам в педагогическом сообществе о том, как определять вес для учеников и что им должно называться. Выбор стал лежать между пониманием его как силы, вызванной гравитацией Земли, и контактным определением, вытекающим из акта взвешивания.

Различия с массой

Путаница в понимании того, чем отличается масса от веса, свойственна для людей, не изучающих физику подробно. Этому есть простое объяснение — как правило, эти термины используются в повседневной жизни взаимозаменяемо. В общем случае, если тело находится на поверхности земли и неподвижно, значение массы будет равно скаляру веса в килограммах. Таблица, проясняющая разницу между понятиями, выглядит так:

Масса	Вес
Является свойством материи. Постоянна всегда.	Зависит от действия силы тяжести.
У материального объекта никогда не бывает равна нулю.	Может быть равен нулю при определённых условиях.
Не меняется в зависимости от местоположения.	Уменьшается или увеличивается в разных местах Земли или в зависимости от высоты над её поверхностью.
Является скалярной величиной.	Вектор с направлением к центру земли или к другому гравитационному центру.
Может быть измерена с помощью баланса	Измеряется с помощью пружинных весов.
Как правило, измеряется в граммах и килограммах.	Единица у силы и веса одна — Ньютон (обозначается как Н)

Главное отличительное свойство массы заключается в том, что для классической динамики она является конкретной инвариантной величиной для каждого тела. Общая теория относительности описывает переход массы в энергию и наоборот.

Обычно численное значение между m и P на Земле строго пропорционально. На бытовом уровне чтобы узнать вес тела с известной массой, достаточно помнить, что объекты обычно весят в ньютонах приблизительно в 10 раз больше значения m в килограммах.

Способы измерения

Фактически вес можно измерить как силу реакции опоры на массу, появляющуюся в точке приложения. Величина возникновения этой силы по значению равна искомому P. Определить её можно с помощью пружинных весов. Поскольку сила тяжести, вызывающая фиксируемое отклонение на шкале, может варьироваться в разных местах, значения также будут отличаться. Для стандартизации измерительные приборы такого типа всегда калибруются на 9,80665 м/с2 в заводских условиях, а затем повторно в том месте, где будут использоваться.

Для измерения массы применяют рычажный механизм. Поскольку любые изменения в гравитации будут одинаково воздействовать на известные и неизвестные массы, балансный способ позволяет иметь в результате одинаковые значения в любом месте Земли. Весовые коэффициенты в этом случае калибруются и маркируются в единицах массы, поэтому балансировочный рычаг позволяет найти массу, сравнивая воздействие притяжения на искомый объект с воздействием на эталон.

При отсутствии гравитационного поля вдали от крупных астрономических тел, баланс рычага работать не будет, но, например, на Луне он покажет те же значения, что и на Земле. Некоторые подобные инструменты могут быть размечены в единицах веса, но, поскольку они калибруются на заводе-изготовителе для стандартной гравитации, то будут показывать P для условий, под которые они настроены.

Это значит, что рычажные весы не предназначены для измерения локальной силы тяжести, воздействующей на объект. Точный вес можно определить расчётным путём, умножив массу на значение локальной гравитации из соответствующих таблиц.

На других планетах

В отличие от массы, вес тела в разных местах варьируется в зависимости от изменения значения гравитационного ускорения. Величина силы притяжения на других планетах, как и на Земле, зависит не только от их массы, но и от того, насколько удалена поверхность от центра тяжести.

В таблице ниже приведены сравнительные гравитационные ускорения на других планетах, Солнце и Луне. Под поверхностью для газовых гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) подразумеваются их внешние облачные слои, для Солнца — фотосфера. Значения в таблице указаны без учёта центробежного вращения и отражают фактическую гравитацию, наблюдаемую вблизи полюсов.

Астрономический объект	Насколько гравитация превышает земную	Поверхностное ускорение м/с2
Солнце	27,9	274,1
Меркурий	0,377	3,703
Венера	0,9032	8,872
Земной шар	1	9,8226
Луна	0,1655	1,625
Марс	0,3895	3,728
Юпитер	2,64	25,93
Сатурн	1,139	11,19
Уран	0,917	9,01
Нептун	1,148	11,28

Для того чтобы получить собственный вес на другой планете, необходимо просто умножить его на число кратности из соответствующего столбика. Чем ближе к центру планеты делать замер, тем значение будет выше, и наоборот. Поэтому, несмотря на то что сила притяжения Юпитера из-за огромной массы в 316 раз превышает земную, вес на уровне облаков, из-за большой их удалённости от центра масс, выглядит не таким впечатляющим, как можно было бы ожидать.

Ещё один интересный эффект, называемый невесомостью, характерный не только для космоса. Его можно наблюдать при различных обстоятельствах и на Земле. Например, при свободном падении нет опоры, к которой была бы приложена сила, а значит вес будет равен нулю, несмотря на присутствие ускорения силы тяжести и массы.

Подобный феномен происходит с космонавтами Международной космической станции на орбите Земли. Фактически она всегда падает вместе со своими обитателями на поверхность планеты, поэтому её обитатели постоянно находятся в состоянии невесомости.

Таким образом, главное правило, объясняющее наблюдаемые феномены и позволяющее избежать путаницы с массой, выглядит так: значение P всегда измеряется с помощью контактных весов, помещённых между объектом и опорной поверхностью. Именно поэтому тело, размещённое на весах и падающее вместе с ними, не будет давить на прибор, а шкала, соответственно, покажет нулевое значение.

Источник

Физика

Силы в природе. Часть 3

План урока:

Трудно найти человека, не пытавшегося повисеть на перекладине. Первое чувство, возникающее при этом – тело будто вытянулось вниз, стало чуть длиннее.

Источник

Если подвесить к штативу пружинку, даже без груза она слегка вытянется. Размеры пружинки станут больше первоначальных, когда она лежала на столе. Так действует на пружинку сила тяжести и пытается ее деформировать. Деформированное тело стремится сжаться и тянет подвес. В случае с перекладиной человек тянет ее на себя, иногда перекладина прогибается. Вот эту силу, со стороны тела действующая на подвес, и называют весом тела.

Тело, лежащее на подставке, также силой тяжести деформируется, но уже не растягивается, а сжимается. Сжатие тела, как вид деформации, вызывает стремление тела распрямиться. Распрямляясь, тело давит на подставку, которая является для тела опорой. Сила, с которой тело давит на опору – это вес тела.

Источник

Деформируются тела силой тяжести. Чем масса тела больше, тем сильнее оно деформируется. Стремясь вернуться в исходное положение, тело сильнее тянет подвес или давит на опору, а значит, у тела больше вес. Поэтому численно вес равен силе тяжести, при условии, что тело движется равномерно вдоль прямой или покоится. Обозначается вес символом P, вычисляется по знакомой формуле

Нахождение веса и силы тяжести выполняется по схожим формулам, но силы это разные, и надо обязательно усвоить их отличия. Сила тяжести действует со стороны Земли на тело, а вес действует со стороны самого тела на подвес или опору. Отличны и точки приложения обеих сил. У силы тяжести – центр масс рассматриваемого тела, у веса – точка контакта тела и опоры или подвеса.

Источник

Остается ли вес тела одинаковым всегда? Ответ в простом примере с лифтом. В начале (самый первый момент) движения вниз (когда лифт ускоряется) тело по ощущениям становится легче и меньше давит на пол лифта. А в начале подъема вверх тело прижимается к полу, тело становится тяжелее. Лифт начинает двигаться равномерно, эти ощущения исчезают.

Источник

Итак, при движении вверх, когда скорость резко увеличивается (именно в момент, когда лифт набирает скорость)вес тел становится больше. Число, показывающее во сколько раз увеличивается вес, называется перегрузкой.

Источник

Источник Источник

При движении вниз, когда скорость увеличивается, вес тела уменьшается, тело меньше деформируется. Это заметно не только в лифте, но и при быстром спуске с дугообразного моста.

Источник

Теперь вполне возможно объяснить ощущения, возникающие при катании на «Американских горках» или при быстрой езде на автомобиле по крутым дорогам. Конечно, скорости здесь не сравнимы со скоростями самолетов и ракет. Перегрузки и уменьшение веса водителей и пассажиров не требуют особых тренировок.

Невесомость

А может ли веса не быть вообще? Сила тяжести присутствует всегда, а вес? Проделав простой опыт, можно и на этот вопрос найти правильный ответ.

Если к динамометру [2] подвесить груз, он растянет его пружину. Теперь не прикреплять динамометр к штативу, а уронить его. Динамометр довольно быстро упадет, но заметить, что в падении пружина не растянута, можно легко. Значит, груз в это время не оказывает действия на подвес, и вес отсутствует.

Падающее вниз тело не давит на подставку, не растягивает подвес. Вес будто превращается в нуль, тело не весит. Такое состояние называют невесомостью. Состояние невесомости чаще других ощущают космонавты. Многие космонавты больше года находятся в невесомости. Для привыкания к необычному состоянию нужны специальные многолетние тренировки.

Источник

Может ли человек в домашних условиях быть в невесомости. Чаще ответом на вопрос можно слышать: «Нет». Это неверно. Такой ответ ассоциируется с безвоздушным пространством, что только в вакууме нет веса. А все очень просто. Стоит встать на скамейку и прыгнуть с нее.

Во время полета нет опоры, нет подвеса, значит, веса тоже нет.

Сила трения

Человек поскользнулся на банановой корке, упал назад. Почему произошло событие, вызвавшее движение по инерции назад?

Если сани толкать небольшой силой, они останутся на прежнем месте. Значит, силе, приложенной к санкам, противостоит еще одна сила, направленная в обратную сторону. Так как сани находятся без движения, значит сумма этих сил, т.е равнодействующая сила, равна нулю.

Под ногу попала корка банана, в которой есть соки. Под давлением ноги она легко сжимается, заполняя неровности на дороге, отчего дорога под ногой становится гладкой и скользкой. Человек скользит по месту соприкосновения обуви и дороги и падает.

Источник

Если внимательно посмотреть на поверхности движения, то на них заметны неровности, впадины, выпуклости. На гладких и достаточно ровных поверхностях увидеть шероховатости можно через увеличительное стекло или микроскоп.

Когда поверхности тел контактируют, то неровности с двух сторон цепляются друг за друга, препятствуя движению. Поверхностные слои обеих поверхностей нарушаются: стираются подошвы обуви и протектор на колесе автомобиля, вытаптываются тропинки на земле, образуются колеи на асфальтовом покрытии, даже бетонные ступеньки на лестницах стираются.

А если убрать все неровности, то мешать движению начнет притяжение сблизившихся молекул.

Взаимодействие молекул и неровности на поверхностях контактирующих тел являются причинами противодействия движению. Силу, характеризующую такие процессы, называют силой трения.

Источник

Чем сильнее тело давит весом на другое тело, тем сильнее сцепляются тела, и тем сложнее задать им движение. Значит, сила трения, пропорциональна весу тела:

μ – коэффициент данной пропорциональности, называемый коэффициентом трения. Он характеризует свойства обеих одновременно трущихся поверхностей. Например, коэффициент трения:

Для коэффициентов составлены специальные таблицы, используемые в расчетных задачах.

Если тело стоит, то между ним и поверхностью существует сила трения покоя. Именно трение покоя мешает развязываться узлам, удерживает соединительные гвозди в доске, не дает двигаться санкам на некрутой горке, т.е. препятствует возникновению движения. Чтобы определить величину силы трения, нужно воспользоваться пружинным динамометром. Сила упругости пружинки динамометра (брусок тянуть нужно равномерно) равна измеряемой силе трения. Трение покоя измеряется в очень маленький момент времени отрыва бруска. Измерение с первого раза обычно не получается. Нужно потренироваться, сделав несколько попыток.

Интересен факт, что если тело уже сдвинуто с места, то сила, противодействующая дальнейшему передвижению, станет меньше. Это сила трения скольжения. При движении по песку, например, о скольжении трудно говорить, но все-таки здесь трение скольжения.

Другой вид трения – трение качения. Колесо – величайшее изобретение человечества. На колесах передвигать предметы значительно легче, но тоже в определенных условиях.

Источник

Трение качения появляется потому, что колесо, вдавливаясь в поверхность, образует перед собой бугорок, который колесу надо преодолевать. Меньше бугорок – меньше трение. Когда бугорок превращается в бугор в песке, в грязи, в снегу, то механизм на колесах застревает.

Источник

В описанных случаях движение задерживается трением. Его приходится преодолевать. Но сила трения покоя как раз способствует движению человека. А сила ног человека действует на Землю. Человек как бы толкает Землю ногами. Оказывается, сила трения помогает движению людей, животных, транспорта, а не только мешает.

Получается, трение вредит, изнашивая детали и механизмы, мешает движению, но оно же и помогает двигаться, а не скользить на месте. Где трение важно, его надо усилить, увеличивая неровности, сцепление поверхностей. Там, где его надо уменьшить, прибегают к различным методам:

Источник

Теперь становится ясным, почему человек падает на банановой корке. Сок банана, являясь смазкой, заполняет неровности асфальта. Трение покоя сильно уменьшается, перейдя в трение скольжения, и в итоге – падение.

Сколько сил в природе

Сила упругости, сила трения, вес – разные, будто бы непохожие, силы, но у них есть одно общее: они появляются вследствие взаимодействия молекул, т.е. эти силы «родственники».

Молекулы состоят из атомов, атомы имеют тоже сложное строение: внутри атома есть ядро, составляющее его основную массу, вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Ядро состоит из частиц – протонов и нейтронов. Эти и большое количество других частиц называют элементарными. У протонов и электронов есть свойство, присущее именно им: они обладают электрическим зарядом. Электроны отрицательно, а протоны положительно заряжены. Свойство это отделить от данных частиц нельзя.

Источник

Обладая зарядом, частицы способны вступать в особый род взаимодействий: частицы (и тела), одинаково заряженные, отталкиваются, имеющие противоположные заряды, притягиваются.

Источник

Наблюдаются примеры взаимодействия с магнитами, они тоже притягиваются или отталкиваются. Все это звенья одной цепи.

Силы, удерживающие частицы в составе атомного ядра, называются ядерными. Это самые сильные взаимодействия природы. А силы, действующие между другими независимыми элементарными частицами, называются слабыми взаимодействиями.

Источник

Сильные взаимодействия в сто раз превышают электромагнитные силы. Слабые – значительно меньше электромагнитных, но намного превышают гравитационные.

Эта блок-схема помогает разобраться в силах, которые изучены, а которые будут изучаться в дальнейшем. Значит, главных или основных сил в природе четыре. Которая из них главней, выяснять не нужно, каждая важна. Силы второго уровня помогают разобраться в происходящем, особенно в механических явлениях. Проявлений действия сил очень много, но за каждым из них стоит одна из главных (фундаментальных) сил природы.

Словарь

1. Катапультирование – в аварийной обстановке покидание пилотом летательного аппарата на принудительной основе.

2. Пружинный динамометр – устройство, для измерения численной величины силы, в конструкции которого используется пружина из упругого металла.

Источник