Фізика — 11 клас
Закон всесвітнього тяжіння. Сила ваги. Вага тіла. Невагомість.
Исаак Ньютон висунув припущення, що між будь-якими тілами в природі існують сили взаємного притягання. Ці сили називають силами гравітації, або силами всесвітнього тяжіння. Сила всесвітнього тяжіння проявляється в Космосі, Сонячній системі й на Землі. Ньютон узагальнив закони руху небесних тіл і з’ясував,
що сила F дорівнює:
маси взаємодіючих тіл, R — відстань між ними, G — коефіцієнт пропорційності, що називається гравітаційної постійної. Чисельне значення гравітаційної постійної досвідченим шляхом визначив Кавендиш, вимірюючи силу взаємодії між свинцевими кулями. У результаті закон всесвітнього тяжіння звучить так: між будь-якими матеріальними крапками існує сила взаємного притягання, прямо пропорційна добутку їхніх мас і обернено пропорційному квадрату відстані між ними, що діє по лінії, що з’єднує ці крапки.
Фізичний зміст гравітаційної постійної випливає із закону всесвітнього тяжіння. Якщо m1 = m2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, тобто гравітаційна постійна дорівнює силі, з якої притягаються два тіла по 1 кг на відстані 1 м. Чисельне значення: Сили всесвітнього тяжіння діють між будь-якими тілами в природі, але відчутними вони стають при більших масах (або якщо хоча б маса одного з тіл велика). Закон же всесвітнього тяжіння виконується тільки для матеріальних крапок і куль (у цьому випадку за відстань приймається відстань між центрами куль).
Приватним видом сили всесвітнього тяжіння є сила притягання тіл до Землі (або до іншої планети). Цю силу називають силою ваги. Під дією цієї сили всі тіла здобувають прискорення вільного падіння. У відповідності із другим законом Ньютона g = Ftm отже, Ft = mg. Сила ваги завжди спрямована до центра Землі. Залежно від висоти h над поверхнею Землі й географічної широти положення тіла прискорення вільного падіння здобуває різні значення. На поверхні Землі й у середніх широтах прискорення вільного падіння дорівнює 9,831 м/с2.
У техніку й побуті широко використовується поняття ваги тіла. Вагою тіла називають силу, з якого тіло давить на опору або підвіс у результаті гравітаційного притягання до планети (мал. 6). Вага тіла позначається Р. Одиниця ваги — Н. Тому що вага дорівнює силі, з якого тіло діє на опору, то відповідно до третього закону Ньютона по величині вага тіла дорівнює силі реакції опори. Тому, щоб знайти вагу тіла, необхідно визначити, чому дорівнює сила реакції опори
Розглянемо випадок, коли тіло разом з опорою не рухається. У цьому випадку сила реакції опори, а отже, і вага тіла дорівнює силі ваги (мал. 7):
Р = N = mg.
У випадку руху тіла вертикально нагору разом з опорою із прискоренням по другому законі Ньютона можна записати mg + N = та (мал. 8, а).
У проекції на вісь OX: — mg + N = та, звідси N = m(g + a).
Отже, при русі вертикально нагору із прискоренням вага тіла збільшується й перебуває по формулі Р = m(g + a).
Збільшення ваги тіла, викликане прискореним рухом опори або підвісу, називають перевантаженням. Дія перевантаження випробовують на собі космонавти як при зльоті космічної ракети, так і при гальмуванні корабля при вході в щільні шари атмосфери. Випробовують перевантаження й льотчики при виконанні фігур вищого пілотажу, і водії автомобілів при різкому гальмуванні.
Якщо тіло рухається долілиць по вертикалі, то за допомогою аналогічних міркувань одержуємо
т. е. вага при русі по вертикалі із прискоренням буде-менше сили ваги (мал. 8, б).
Якщо тіло вільно падає, то в цьому випадку P = (g — g)m = 0.
Стан тіла, у якому його вага дорівнює нулю, називають невагомістю. Стан невагомості спостерігається в літаку або космічному кораблі при русі із прискоренням вільного падіння незалежно від напрямку й значення швидкості їхнього руху. За межами земної атмосфери при вимиканні реактивних двигунів на космічний корабель діє тільки сила всесвітнього тяжіння. Під дією цієї сили космічний корабель і всі тіла, що перебувають у ньому, рухаються з однаковим прискоренням, тому в кораблі спостерігається стан невагомості