ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ
Динамика

© Лопатин Павел Борисович
Настоящий курс лекций построен на основе лекций, которые читал Б.А. Слободсков.

§ 69. Вес, перегрузка и невесомость

1. Вес тела.

   В земных условиях большинство тел движутся без ускорения относительно Земли. В практике взвешивания обычно тело и весы находятся в покое относительно Земли. В таких случаях под весом тела понимают силу, с которой тело давит на горизонтальную неподвижную опору или растягивает пружину или нить, на которой оно подвешено неподвижно. Итак, вес тела приложен к опоре.

- вес

   Если система, в которой находятся тела, движется с ускорением, то весом тела также называют силу, с которой тело действует на опору или растягивает подвес.

2. Перегрузка.

   Рассмотрим вес тела в лифте, когда лифт имеет ускорение, направленное вверх.

   Запишем II закон Ньютона для тела:  .

   В проекциях на ось  OY:  ;

;

.

   По III закону Ньютона:  или  .

   Мы видим, что вес тела в системе, которая относительно Земли имеет ускорение, направленное вверх, больше силы тяжести.
   В таких случаях говорят, что тело испытывает перегрузку.

Определение. Перегрузкой называется число, показывающее, во сколько раз вес больше силы тяжести.

- перегрузка

;   

   Однако часто перегрузка указывается в единицах ускорения свободного падения.
   Например, перегрузка, испытываемая телом, покоящимся на поверхности Земли на уровне моря, равна 1g.
   Перегрузка в 0g (ноль-жэ) испытывается телом, находящемся в состоянии свободного падения, то есть в состоянии невесомости.
   Одно из основных требований к военным летчикам и космонавтам — способность организма переносить перегрузки. Тренированные пилоты в специальных противоперегрузочных костюмах могут переносить перегрузки до 12g.

3. Невесомость.

   Пусть лифт движется с ускорением, направленным вниз.

   По II закону Ньютона для тела в лифте:  .

   В проекциях на ось  OY:  ;

.

   По III закону Ньютона:    или  .

   Видим, что, когда ускорение лифта направлено вниз, то вес тела уменьшается.

   Если  , то  .

   Если  , то  , то есть вес тела становится равным нулю. Это состояние и называется невесомостью. При этом на тело в лифте будет действовать только одна сила тяжести.

   Невесомость можно объяснить так.
   При свободном падении и на лифт, и на груз в лифте действует лишь одна сила - сила тяжести.
   Известно, что эта сила всем телам независимо от масс сообщает одно и то же ускорение  g.
   Лифт и груз имеют одно и то же ускорение  g. То есть быстрота изменения их скорости одинакова, они не могут опережать один другого в движении. Из-за этого отсутствует взаимодействие груза и дна лифта, груз не давит на дно лифта.

   Если тело бросить под углом к горизонту, вертикально вверх или горизонтально, то при отсутствии сопротивления воздуха на него действует лишь одна сила тяжести, и тело находится в состоянии невесомости.

   Для осуществления состояния невесомости для человека самолёты запускают по параболам так, как если бы они летели подобно телу, брошенному под углом к горизонту.

   При этом внутри самолёта наблюдается невесомость.

   Спутники летают вокруг Земли лишь под действием силы тяжести, поэтому внутри них наблюдается невесомость длительное время.

4. Относительность понятий "верх" и "низ".

   Пусть ускорение лифта направлено вниз и равно 2g.

   По II закону Ньютона для груза в лифте:  .

   В проекциях на ось  OY:  ;

;

 ;

;

.

   По III закону Ньютона:  или  .

   Если ускорение=2g, то лифт будет опережать груз в своём движении, и через некоторое время груз коснётся потолка; верх и низ поменяются местами.

5. Вес, направленный под углом к вертикали.

   Пусть автомобиль разгоняется от нуля до скорости  за время  t секунд. Считая, что процесс разгона происходит по горизонтали и является равноускоренным, вычислим вес водителя во время разгона.

   Из кинематики знаем:  .

   Найдём ускорение.
   В проекциях на горизонтальную ось:  =>  (1), где  - по условию задачи.

   Изобразим силы, действующие на водителя во время разгона, и вес водителя.

А) Силы, действующие на водителя в неинерциальной системе отсчёта, связанной с автомобилем ( - сила реакции, действующая на водителя во время разгона со стороны спинки сиденья).
Б) Вес водителя во время разгона.

   По теореме Пифагора из прямоугольного АВС (см. рис. Б):

;

;

(2).

 (1) в (2):  - вес водителя во время разгона автомобиля.

   Угол, который составляет вектор  с вертикалью:

;

;

;

.

   Итак, вес - это сила, с которой покоящееся тело давит на горизонтальную неподвижную опору или растягивает подвес, на котором оно неподвижно. Во всех остальных случаях - это результирующая сила, с которой тело в данных условиях воздействует на связь.

6. Вычисление перегрузки.

   Большинство болидов Формулы 1 способны разогнаться до 100 км/час за 1,9 с. Это самый быстрый показатель для автомобилей на механической тяге. Вычислим перегрузку, которую испытывает пилот болида во время разгона.

   1) Знаем: .

   2) Также из вычислений, представленных выше, знаем формулу для вычисления веса водителя при разгоне автомобиля: .

   3) Имеем:  .

   4) Учитывая, что 100 км/ч=250/9 м/с, получаем: .
   Таким образом, перегрузка пилота болида Формулы 1 при разгоне автомобиля составляет почти 2g. 

< Предыдущий параграф <     Оглавление     > Следующий параграф >