в чем измеряется вес тела в физике
Вес тела
теория по физике 🧲 динамика
Вес тела — сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес.
Согласно III закону Ньютона модуль веса тела определяется одной из следующих формул:
Если тело и опора или подвес неподвижны, то модули силы реакции опоры, силы натяжения подвеса, а также силы упругости равны модулю силы тяжести. Поэтому в неподвижной системе модуль веса неподвижного тела тоже равен модулю силы тяжести:
Если тело находится в состоянии невесомости, его вес равен нулю: P = 0. Это значит, что это тело не оказывает никакого действия ни на подвес, ни на опору.
Пример №1. Гиря массой 1 пуд стоит на полу. Определить вес гири.
Так как гиря покоится, ее вес будет равен модулю силы тяжести. 1 пуд = 16,38 кг. Следовательно:
P = mg = 16,38∙10 = 163,8 (Н)
Перегрузка
Перегрузка — отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к стандартному ускорению свободного падения на поверхности.
Перегрузка определяется отношением:
Перегрузка возникает, когда система, в которой находится тело, движется с ускорением.
Вес тела в движущейся равноускоренно системе
Вес тела в движущейся системе может быть больше или меньше веса того же тела в системе, которая находится в состоянии покоя:
Применение законов Ньютона для определения веса тела
Опора или подвес неподвижны
N + m g = m a или T + m g = m a
Проекция на ось ОУ:
N – mg = 0 или T — mg = 0
Ускорение опоры направлено вверх
Проекция на ось ОУ:
P = N = ma + mg = m(a + g)
Ускорение опоры направлено вниз
Проекция на ось ОУ:
P = N = mg – ma = m(g – a)
Вершина выпуклого моста
Проекция на ось ОУ:
Нижняя точка вогнутого моста
Проекция на ось ОУ:
Полный оборот на подвесе
Проекция на ось ОУ в точке А:
Вес тела в точке А:
Проекция на ось ОУ в точке В:
Вес тела в точке В:
Важно! Центростремительное ускорение всегда направлено к центру окружности.
Пример №2. Автомобиль массой 1000 кг едет по выпуклому мосту с радиусом кривизны 40 м. Какую скорость должен иметь автомобиль в верхней точке моста, чтобы пассажиры в этой точке почувствовали невесомость?
Вес тела в верхней точке выпуклого моста равен:
Чтобы пассажиры почувствовали состояние невесомости, вес тела должен быть равен 0:
Масса не может быть нулевой, поэтому:
Значит, пассажиры в верхней точке моста почувствуют невесомость, если центростремительное ускорение будет равно ускорению свободного падения. Центростремительное ускорение определяется формулой:
Отсюда скорость автомобиля в верхней точке моста должна быть равна:
Четыре одинаковых кирпича массой m каждый сложены в стопку (см. рисунок). Если убрать два верхних кирпича, то модуль силы N, действующей со стороны горизонтальной опоры на первый кирпич, уменьшится на…
Формула для измерения веса тела
Мы часто употребляем фразы наподобие: «Пачка конфет весит 250 грамм» или «я вешу 52 килограмма». Использование таких предложений происходит автоматический. Но что такое вес? Из чего он складывается и как его посчитать?
Для начала нужно понять, что неправильно говорить: «Этот предмет весит Х килограмм». В физике существует два разных понятия – масса и вес. Масса измеряется в килограммах, граммах, тонах и так далее, а вес тела рассчитывается в ньютонах. Поэтому, когда мы говорим, например, что мы весим 52 килограмма, мы на самом деле имеем в виду массу, а не вес.
Вес в физике
Масса – это мера инертности тела. Чем тело обладает большей инертностью, тем больше времени понадобится, чтобы придать ему скорость. Грубо говоря, чем выше значение массы, тем тяжелее сдвинуть предмет. В международной системе единиц массу измеряют в килограммах. Но её также измеряют и в других единицах, например;
Когда мы говорим один, два, три килограмма, мы сравниваем массу с эталонной массой (прообраз которой находится во Франции в МБМВ). Масса обозначается m.
Вес – это сила, которая действует на подвес или опору за счёт предмета, притягиваемого силой тяжести. Это векторная величина, а значит у него есть направление (как и у всех сил), в отличие от массы (скалярная величина). Направление всегда идёт в центр Земли (из-за силы тяжести). Например, если мы сидим на стуле, сиденье которого располагается параллельно Земле, то вектор силы направлен строго вниз. Вес обозначается P и рассчитывается в ньютонах [Н].
Если тело находится в движении или покое, то сила тяжести (Fтяж), действующая на тело, равна весу. Это справедливо, если движение происходит вдоль прямой линии относительно Земли, и оно имеет постоянную скорость. Вес действует на опору, а сила тяжести на само тело (которое располагается на опоре). Это разные величины, и независимо от того, что они равны в большинстве случаев, не стоит их путать.
Сила тяжести – это результат притяжения тела к земле, вес – воздействие тела на опору. Так как тело изгибает (деформирует) опору своим весом, возникает ещё одна сила, она называется сила упругости (Fупр). Третий закон Ньютона гласит, что тела взаимодействуют друг с другом с одинаковыми по модулю силами, но разными по вектору. Из этого следует, что для силы упругости должна быть противоположная сила, и эта она называется – сила реакции опоры и обозначается N.
Как измерить вес тела
Второй закон Ньютона гласит, что ускорение равно силе, делённой на массу. Таким образом, F=m*a. Так как Fтяж равна P (если тело находится в покое или движется по прямой (относительно Земли) с одинаковой скоростью), то и Р тела будет равняться произведению массы и ускорения (P=m*a).
Мы знаем, как найти массу, и знаем, что такое вес тела, осталось разобраться с ускорением. Ускорение – это физическая векторная величина, которая обозначает изменение скорости тела за единицу времени. Например, объект движется первую секунду со скоростью 4 м/с, а на второй секунде его скорость увеличивается до 8 м/с, значит, его ускорение равняется 2. По международной системе единиц ускорение рассчитывается в метрах на секунду в квадрате [м/с 2 ].
Если поместить тело в специальную среду, где будет отсутствовать сила сопротивления воздуха – вакуум, и убрать опору, то объект начнёт лететь равноускоренно. Название этого явления — ускорение свободного падения, которое обозначается g и рассчитывается в метрах на секунду в квадрате [м/с 2 ].
Интересно, что ускорение не зависит от массы тела, а значит если мы кинем листок бумажки и гирю на Земле в специальных условиях, при которых отсутствует воздух (вакуум), то эти предметы приземлятся в одно и то же время. Так как листок имеет большую площадь поверхности и относительно маленькую массу, то для того чтобы упасть, ему приходятся сталкиваться с большим сопротивлением воздуха. В вакууме такого не происходит, и поэтому перо, листок бумаги, гиря, пушечное ядро и другие предметы будут лететь с одной и той же скоростью и упадут в одно время (при условии, что они начнут лететь в одно и то же время, и их первоначальная скорость будет равняться нулю).
Таким образом, формула для расчёта веса телу будет выглядеть следующим образом P=m*g.
Примеры задач для расчёта веса тела
Первая задача. На стол положили груз массой 2 килограмма. Каков вес груза?
Эту задачу необходимо решать в следующей последовательности;
Видео
Вес тела
Невесомость: что это такое
Невесомость — это состояние, при котором тело не давит на опору или подвес.
Само слово «невесомость» как бы подсказывает нам, что веса здесь быть не должно. При этом непонятно, что с ним тогда происходит. Давайте разбираться.
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
g — ускорение свободного падения [м/с2]
На планете Земля g = 9,8 м/с2
Здесь может возникнуть два возражения:
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).
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)
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)
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 [Н];
mg – сила тяжести [Н];
a – ускорение, с которым движется лифт [м/с2].
При проецировании на ось y, направленную вниз, мы получаем:
А теперь нам понадобится третий закон Ньютона — по нему сила реакции опоры равна весу тела:
Снова невесомость
Ну что, с весом разобрались. А теперь давайте сделаем так, чтобы его не стало и получилась та самая невесомость.
Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:
Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение и получается 0:
Вот мы и в невесомости!
Если они летят вокруг Земли, то да. Как писал Дуглас Адамс в книге «Автоспом по галактике»: «Летать просто. Нужно просто промахнуться мимо Земли».
Когда космический корабль обращается вокруг Земли, он просто пытается на нее упасть, но промахивается. Такой процесс происходит, когда корабль движется с первой космической скоростью, равной 7.9 км/с. Это та скорость, с которой корабль становится искусственным спутником Земли.
Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это скорость, которая нужна, чтобы корабль стал искусственным спутником Солнца, а третья — чтобы вылетел за пределы солнечной системы. Такие дела 🙂
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.