Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість

Якщо відпустити, наприклад, олівець, він обов'язково впаде. якщо поставити рюкзак на лаву, вона (хоч і непомітно для ока) прогнеться. якщо підвісити до гумового шнура яке-небудь тіло, шнур розтягнеться. Усе це — наслідки притягання землі. однак репортажі з космічних станцій демонструють нам нібито «зникнення» земного тяжіння — космонавти і всі речі на борту станцій перебувають у стані невагомості. У цьому параграфі ви детальніше познайомитесь із земним тяжінням і дізнаєтесь, чи можна відтворити невагомість удома.

Дізнаємося про гравітаційну взаємодію

Чому будь-який предмет: випущений із руки олівець, крапля дощу, листок дерева тощо — падає вниз? Чому стріла, пущена з лука, не летить увесь час прямо, а врешті падає на землю? Чому Місяць рухається навколо Землі? Причина всіх цих явищ полягає в тому, що Земля притягує до себе всі тіла (рис. 20.1).

Усі тіла також притягують до себе Землю. Наприклад, притягання Місяця спричиняє на Землі припливи та відпливи (рис. 20.2). Завдяки притяганню Сонця наша планета й усі інші планети Сонячної системи рухаються навколо Сонця по певних орбітах.

У 1687 р. Ісаак Ньютон сформулював закон, згідно з яким між усіма тілами Всесвіту існує взаємне притягання. Таке взаємне притягання об’єктів називають гравітаційною взаємодією або всесвітнім тяжінням.

Спираючись на досліди та математичні розрахунки, Ньютон виявив, що інтенсивність гравітаційної взаємодії збільшується зі збільшенням мас тіл, які взаємодіють. Саме тому легко переконатися, що нас із вами притягує Земля, але ми зовсім не відчуваємо притягання нашого сусіда по парті.

|2| Знайомимось із силою тяжіння

У фізиці силу гравітаційного притягання Землі, яка діє на тіла поблизу її поверхні²¹, називають силою тяжіння.

Сила тяжіння Р_тяж — це сила, з якою земля притягує до себе тіла, що перебувають на її поверхні або поблизу неї.

Сила тяжіння прикладена до тіла, яке притягується Землею, і напрямлена вертикально вниз, до центра Землі (рис. 20.3).

Численними дослідами доведено, що сила тяжіння, яка діє на тіло, прямо пропорційна масі цього тіла. Цю залежність подають у вигляді формули:

Рис. 20.2. Припливи та від- де ^_тяж — значення сили тяжіння; ш — маса

пливи є наслідками притягання тіла; g — коефіцієнт пропорційності, який землі до місяця називають прискорення вільного падіння.

Поблизу поверхні Землі прискорення вільного падіння становить приблизно 9,8 ньютона на кілограм:

Значення прискорення вільного падіння незначно змінюється на екваторі й полюсах Землі (рис. 20.4), в разі підняття вгору і спуску в шахту.

Скориставшись рис. 20.4, дізнайтеся, на скільки сила тяжіння, яка діє на вас, на екваторі менша, ніж на полюсі.

Дізнаємося, що фізики називають вагою тіла

Усі тіла через притягання до Землі стискають чи прогинають опору або розтягують підвіс. Сила, яка характеризує таку дію тіл, називається вагою тіла (рис. 20.5).

Вага тіла Р — це сила, з якою внаслідок притягання до землі тіло тисне на горизонтальну опору або розтягує вертикальний підвіс.

Одиниця ваги в СІ, як і будь-якої іншої сили,— ньютон (1 Н): [ Р ] = Н.

Якщо тіло перебуває в стані спокою або прямолінійного рівномірного руху, то його вага збігається за напрямком із силою тяжіння і дорівнює їй за значенням:

Р = mg.

На відміну від сили тяжіння, яка прикладена до тіла, вага прикладена до опори або підвісу (рис. 20.6). ²²

14 Спробуємо створити стан невагомості

Ви, напевно, добре знаєте термін «невагомість», проте його значення багато хто розуміє неправильно. Так, дехто вважає, що невагомість — це стан, який спостерігається лише в космосі, де немає повітря, або там, де відсутня гравітація.

Але це не так! Відсутність повітря сама по собі не спричиняє невагомості, а від гравітації взагалі не сховаєшся — у Всесвіті немає жодного куточка, де б не діяли сили всесвітнього тяжіння²². Насправді невагомість — це відсутність ваги. Приберіть у тіла опору або підвіс — і воно опиниться в стані невагомості. (Зверніть увагу: опір повітря теж є своєрідною опорою!)

Невагомість — це такий стан тіла, за якого тіло не діє на опору чи підвіс.

Тіло поблизу поверхні Землі перебуває в стані невагомості, якщо на нього діє тільки одна сила — сила тяжіння.

На короткий час невагомість легко створити вдома, на вулиці, в класі тощо. Ви можете, наприклад, підстрибнути і на мить опинитися в стані невагомості: в даному випадку, поки ви падаєте вниз, опір повітря є не-хтовно малим і можна вважати, що на вас діє тільки сила тяжіння.

Постійно в стані невагомості перебувають космічні орбітальні станції і все, що в них є (рис. 20.7). Це пов’язано з тим, що космічні кораблі «постійно падають» на Землю через її притягання і водночас залишаються на орбіті завдяки своїй величезній швидкості.

У нетренованої людини тривале перебування в стані невагомості, як правило, супроводжується нудотою, порушенням роботи м’язів, вестибулярного апарату**, нервовими розладами, саме тому космонавти проходять серйозну фізичну підготовку (рис. 20.8).

* Цікаво, що густина матерії в нашому Всесвіті досить мала (2-3 атоми Гідрогену на 1 м³), тому у Всесвіті в середньому дуже мала й гравітація. Її називають мікрогравітацією.

** Вестибулярний апарат — орган чуття в людей та хребетних тварин, що сприймає зміни положення голови й тіла в просторі, а також напрямок руху. Цей орган відповідає, наприклад, за здатність людини навіть у темряві розрізняти, де верх, а де низ.

Підбиваємо підсумки

У Всесвіті всі тіла притягуються одне до одного. Таке взаємне притягання тіл називають всесвітнім тяжінням.

Сила тяжіння — сила, з якою Земля притягує до себе тіла, розташовані на її поверхні або поблизу неї. Сила тяжіння обчислюється за формулою У_тяж = mg і напрямлена вертикально вниз, до центра Землі.

Вага Р тіла— це сила, з якою внаслідок притягання до Землі тіло діє на горизонтальну опору або вертикальний підвіс. Треба розрізняти силу тяжіння і вагу тіла: сила тяжіння прикладена до самого тіла, а вага — до опори або підвісу; вага тіла дорівнює за значенням силі тяжіння ( = mg) тільки в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху тіла.

Коли тіло рухається під дією лише гравітаційних сил, то воно перебуває в стані невагомості (його вага дорівнює нулю).

Контрольні запитання

1. Чи діє на вас сила притягання до Місяця? 2. Хто відкрив закон, згідно з яким між усіма тілами Всесвіту існує взаємне притягання?

3. Дайте означення сили тяжіння. За якою формулою її обчислюють?

4. До чого прикладена і куди напрямлена сила тяжіння? 5. Дайте означення ваги тіла. У яких випадках її обчислюють за формулою Р=тц? 6. Що таке невагомість? 7. За яких умов тіло перебуватиме в невагомості?

Вправа № 20

1. Чи притягує Землю автомобіль, який стоїть на автостоянці? космічна станція, яка перебуває на орбіті?

2. Книжка лежить на столі. На яке тіло діє вага книжки?

3. Визначте силу тяжіння, яка діє на тіло масою 600 г.

4. Якою є маса тіла, якщо його вага дорівнює 600 Н?

5. Якою є вага меду об’ємом 1 л?

6. У відро масою 1,5 кг налили 5,5 л води. Яку силу треба прикладати, щоб утримувати відро в руках? Зробіть пояснювальний рисунок, зазначивши сили, що діють на відро.

7. Складіть задачу, обернену до задачі 5 цієї вправи, та розв’яжіть її.

8. Визначте масу тягарця, що висить на пружині жорсткістю 200 Н/м, якщо видовження пружини становить 0,5 см.

9. Знайдіть густину речовини, з якої виготовлений кубик, і жорсткість пружини динамометра (див. рисунок). Ребро кубика дорівнює 4 см, видовження пружини — 5 см.

10. Як відомо, сила тяжіння на поверхні планет Сонячної системи відрізняється від сили тяжіння на поверхні Землі. Скориставшись додатковими джерелами інформації, визначте силу тяжіння, яка діяла б на вас особисто в разі космічної подорожі на ці планети (або супутники). Поміркуйте, до яких наслідків це могло б призвести.

Експериментальне завдання

Визначте жорсткість гумки для плетіння браслетів. Для подовження гумки скористайтеся тілами відомої маси, наприклад монетами в 50 копійок (маса кожної дорівнює 4,2 г) або маленькою шоколадкою. Запишіть інструкцію з виконання цього завдання.

Фізика і техніка в Україні

Юрій Васильович Кондратюк (Олександр Гнатович Шаргей) (1897-1941) — один із піонерів ракетної техніки. Майбутній науковець зацікавився космічними польотами ще гімназистом. Він навчався в полтавській гімназії, згодом — на механічному відділенні Петроградського політехнічного інституту.

У книжці «Тим, хто читатиме, щоб будувати» (1919) Ю. Кондратюк навів схему чотириступеневої ракети на киснево-водневому паливі, дав опис камери згоряння двигуна, а в книжці «Завоювання міжпланетних просторів» (1929) запропонував здійснювати польоти на Місяць, використовуючи для живлення систем космічного корабля сонячну енергію (!).

Американський астронавт Ніл Армстронг, який першим ступив на поверхню Місяця, спеціально взяв жменю землі біля стін будинку, де мешкав Ю. Кондратюк, сказавши: «Ця земля для мене має не меншу цінність, аніж місячний ґрунт». А один із учених, задіяних у програмі НАСА з освоєння Місяця, заявив: «Ми розшукали маленьку непримітну книжечку... Автор її, Юрій Кондратюк, обґрунтував і розрахував енергетичну вигідність польоту на Місяць за схемою: політ на орбіту Місяця — старт на Місяць із його орбіти — повернення на орбіту Місяця — політ до Землі». За пропозицією американських фахівців трасу польоту на Місяць названо трасою Кондратюка.

Це матеріал  підручника Фізика 7 клас Бар'яхтар Довгий