Силу тяжести с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела . Понятие веса широко используется в повседневной жизни.
Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Также вес можно определить как реакцию опоры. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса . Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис. 1.11.1). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной . На тело действуют сила тяжести
направленная вертикально вниз, и сила упругости
с которой опора действует на тело. Силу называют силой нормального давления или силой реакции опоры . Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга:
В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону:
По определению, сила и называется весом тела.
Из приведенных выше соотношений видно, что
т. е. вес тела равен силе тяжести
Но эти силы приложены к разным телам!
Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы , сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).
Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести и сила реакции опоры но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона
Сила действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть
Пусть вектор ускорения направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для можно переписать в скалярной форме:
В этой формуле величины P , g и a следует рассматривать как проекции векторов , и на ось OY . Так как эта ось направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения направлен вертикально вниз, тогда a > 0 (рис. 1.11.2).
Из формулы (*) видно, что если a < g , то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g , то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g , то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью . Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите при выключенных реактивных двигателях.
Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис. 1.11.3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой . Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.
Что такое невесомость? Парящие чашки, возможность летать и ходить по потолку, с легкостью перемещать даже самые массивные предметы — таково романтическое представление об этом физическом понятии.
Если спросить космонавта, что такое невесомость, он поведает, как сложно бывает в первую неделю на борту станции и как долго по возвращении приходится восстанавливаться, привыкая к условиям земного притяжения. Физик же, скорее всего, опустит подобные нюансы и с математической точностью раскроет понятие при помощи формул и цифр.
Определение
Начнем наше знакомство с явлением с раскрытия научной сути вопроса. Невесомость физика определяет как такое состояние тела, когда его движение или же внешние силы, воздействующие на него, не приводят к взаимному давлению частиц друг на друга. Последнее возникает всегда на нашей планете, когда какой-либо предмет перемещается или покоится: на него давит сила тяжести и противоположно направленная реакция поверхности, на которой объект расположен.
Исключение из этого правила — случаи то есть падения со скоростью, которое придает телу сила тяжести. В таком процессе отсутствует давление частиц друг на друга, появляется невесомость. Физика говорит, что на таком же принципе основано состояние, возникающее в космических кораблях и иногда в самолетах. Невесомость появляется в этих аппаратах, когда они движутся с постоянной скоростью в любом направлении и при этом находятся в состоянии свободного падения. Искусственный спутник или доставляется на орбиту при помощи ракеты-носителя. Она придает им определенную скорость, которая сохраняется после выключения аппаратом собственных двигателей. Корабль при этом начинает перемещаться только под действием силы тяжести и возникает невесомость.
Дома
Последствия полетов для астронавтов этим не ограничиваются. После возвращения на Землю им приходится в течение некоторого времени адаптироваться обратно к силе тяжести. Что такое невесомость для космонавта, завершившего полет? Прежде всего это привычка. Сознание еще какой-то период отказывается принять факт наличия силы тяжести. В результате нередки случаи, когда космонавт вместо того, чтобы поставить чашку на стол, просто отпускал ее и осознавал ошибку, только услышав звон разбитой об пол посуды.
Питание
Одна из непростых и одновременно интересных задач для организаторов пилотируемых полетов — обеспечение космонавтов легко усваиваемой организмом под воздействием невесомости едой в удобной форме. Первые опыты не вызывали особого энтузиазма среди членов экипажей. Показателен в этом плане случай, когда американский астронавт Джон Янг вопреки строгим запретам пронес на борт сэндвич, есть который, правда, не стали, чтобы не нарушать устав еще больше.
На сегодняшний день с разнообразием на проблем нет. Перечень блюд, доступных для российских космонавтов, насчитывает 250 пунктов. Иногда грузовой корабль, стартующий к станции, доставляет свежее блюдо, заказанное кем-то из команды.
Основу рациона составляют Все жидкие блюда, напитки, а также пюре упаковываются в алюминиевые тубы. Тара и оболочка продуктов продумывается таким образом, чтобы избежать появления крошек, парящих в невесомости и могущих попасть кому-то в глаз. Например, печенье делается достаточно маленьким и покрытым оболочкой, тающей во рту.
Знакомая обстановка
На станциях, подобных МКС, все условия стараются довести до привычных земных. Это и национальные блюда в меню, и необходимое как для функционирования организма, так и для нормальной работы аппаратуры движение воздуха, и даже обозначение пола и потолка. Последнее имеет, скорее, психологическую значимость. Космонавту в невесомости все равно, в каком положении работать, однако выделение условного пола и потолка снижает риск потери ориентации и способствует более быстрой адаптации.
Невесомость — одна из тех причин, почему в космонавты берут далеко не всех. Адаптация по прибытии на станцию и после возвращения на Землю сравнима с акклиматизацией, усиленной в несколько раз. Человек со слабым здоровьем такой нагрузки может не выдержать.
Невесомость
Космонавты на борту Международной космической станции
Горение свечи на Земле (слева) и в невесомости (справа)
Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое название этого эффекта - микрогравитация . Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация.
Для понимания сути невесомости можно рассмотреть летящий по баллистической траектории самолёт. Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Когда нить, на которой висит шарик, не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как "провал в воздухе"). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд "невесомости"; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. (Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз) Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа "петли Нестерова" - не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций.
Особенности деятельности человека и работы техники в условиях невесомости
В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков.
Влияние невесомости неизбежно учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя , предназначенного для запуска в невесомости. Жидкие компоненты топлива в баках ведут себя точно так же, как и любая жидкость (образуют жидкие сферы). По этой причине подача жидких компонентов из баков в топливные магистрали может стать невозможной. Для компенсации такого эффекта применяется специальная конструкция баков (с разделителями газовой и жидкой сред), а также - процедура осадки топлива перед запуском двигателя. Такая процедура состоит во включении вспомогательных двигателей корабля на разгон; создаваемое ими небольшое ускорение осаживает жидкое топливо на днище бака, откуда система подачи направляет топливо в магистрали.
Воздействие невесомости на организм человека
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь- при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации .
При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер.
Первое и самое очевидное последствие невесомости - стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин).
Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности.
Вес и гравитация
Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 / ², что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли . Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью , то есть космонавты как-бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.
Невесомость на Земле
На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по параболической (а на самом деле - баллистической, то есть такой, по которой летел бы самолет под воздействием одной лишь силы земного притяжения; эта траектория является параболой лишь при небольших скоростях движения; для спутника это эллипс, окружность или гипербола) траектории. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере , когда сопротивление воздуха ещё невелико.
Ссылки
- Астрономический словарь Санько Н. Ф.
- Парабола невесомости Видео телестудии Роскосмоса
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Невесомость" в других словарях:
Невесомость … Орфографический словарь-справочник
Легкость, эфирность, слабость, гидроневесомость, незначительность, воздушность Словарь русских синонимов. невесомость см. лёгкость 1 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
Состояние, при котором действующие на тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга. В поле тяготения Земли человеческий организм воспринимает такие давления, как ощущение весомости. Невесомость имеет место при… … Большой Энциклопедический словарь
Современная энциклопедия
НЕВЕСОМОСТЬ, испытываемое объектом состояние, при котором не проявляется действие веса. Невесомость можно испытать в космосе или во время свободного падения, хотя при этом и присутствует гравитационное притяжение «весомого» тела. Космонавты… … Научно-технический энциклопедический словарь
Состояние материального тела, движущегося в поле тяготения, при к ром действующие на него силы тяжести или совершаемое им движение не вызывают давлений ч ц тела друг на друга. Если тело покоится в поле тяжести Земли на горизонтальной плоскости,… … Физическая энциклопедия
Невесомость - НЕВЕСОМОСТЬ, состояние, при котором действующие на тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга. Невесомость имеет место при свободном движении тела в поле тяготения (например, при вертикальном падении, движении по… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Казалось бы, тут всё просто. Невесомость - это когда вы ничего не весите. Можете, как птичка, выпорхнуть в окошко - или кружиться под потолком, как коротышки в книжке Носова «Незнайка на Луне». Но почему тогда в невесомости, ударившись лбом о стенку, космонавт (без скафандра) набьёт себе шишку так же, как любой школьник во дворе? Он ведь как бы «ничего не весит», а значит, и ушибиться, наверное, не может? Или может?
Физика «весом» называют ту силу, с которой любое тело действует на поверхность своей опоры (или подвеса). Допустим, человек сидит на стуле, и вес - это та тяжесть, с которой тело на данный стул опирается. Яблоко лежит на столе, тогда весом будет тяжесть яблока, действующая на поверхность стола под ним. Однако в некоторых обстоятельствах вес исчезает, и яблоко вместо спокойного лежания на столе вдруг начинает плавно летать по помещению. Почему с ним так происходит? Неожиданно, вдруг, как в сказке, вес «уйти» не может: хотя в сказке про коротышек и существует «прибор невесомости», пока ничего подобного в реальности не придумано. Однако невесомость можно найти или создать.
Невесомость возникает в двух различных случаях. В космосе она появляется, потому что мы слишком удалились от Земли и других крупных небесных тел, способных притянуть к себе гравитационными силами. Иногда невесомость такого происхождения называют ещё и «микрогравитацией». Но можно создать невесомость и искусственно. Чаще это делают учёные - в исследовательских целях, например, для того, чтоб хорошо изучить поведение животных или бактерий в невесомости. Изредка эффект временной невесомости создают в развлекательных целях, скажем, при полётах в так называемой аэротрубе. Там «летают» на потоках воздуха, бьющих снизу вверх и своей мощью превозмогающих силу тяжести.
Вес тела может, в отличие от массы, меняться под действием ускорения. Например, мы в скоростном лифте при его движении вверх ощущаем себя тяжелее, чем обычно, а если тот же «скороход» несёт нас вниз, нам кажется, будто тело становится легче. Именно на этом эффекте основано создание невесомости «искусственным путём». Когда самолёт быстро и резко устремляется вниз, у него внутри пассажиры или подопытные животные могут себя ощутить в невесомости, и даже «поплавать» по салону, как в космическом корабле. Такой эффект используют и в подготовке космонавтов, и при изучении реакции живых существ на временное отсутствие гравитации. В такой «невесомости» проводят разные научные эксперименты, которые, возможно, в будущем послужат прогрессу человечества. А для создания искусственной «невесомости» нужно, чтобы ускорение летящего вниз самолёта равнялось ускорению свободного падения тела или было даже чуть больше. Но именно - лишь только совсем чуть-чуть, иначе все подопытные «прилипнут к потолку» и будет уже своего рода «обратная гравитация». Скорость для экспериментов с невесомостью поэтому просчитывают очень точно и тонко - так, чтобы никого не «размазало» о потолок.
Тем не менее, если в такой невесомости вы быстро подплывёте к стене или предмету, то можете крепко треснуться об него плечом, лбом или другой частью тела. Подвох в том, что к Земле - или другой планете, например, к Луне или Марсу, если бы мы туда попали - нас притягивает сила тяжести, создающая наш вес. А боль при ударе лбом или любой другой частью тела о предмет - это «проделки» массы. В чём между ними разница?
Слово «невесомость» употребляется также и в переносном смысле. Например, какой-то очень лёгкий объект могут именовать невесомым. Это может быть вата, пёрышко или нежное облако. На самом деле, конечно, вес всегда имеется, но слово «невесомый» берут, чтобы показать, насколько он мал и незаметен. Иногда ощущением невесомости называют и сильные «окрыляющие» эмоции - вдохновение, восторг или влюблённость.