Сила тяжести и вес тела

В физике существуют два близких понятия, характеризующие результат действия гравитации: сила тяжести и вес. Несмотря на их близость, они неэквивалентны и далеко не всегда одинаковы. Рассмотрим сходства и отличия веса тела от силы тяжести.

Сила тяжести

К 7 классу известно, что сила тяжести — это сила, возникающая при гравитационном взаимодействии тел, имеющих массу. Она пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила тяжести описывается формулой закона всемирного тяготения И. Ньютона. Для Земли и тела массой $m$, находящегося на высоте $h$ над Землей, она равна:

$$F_т=G{mM\over (R+h)^2}$$,

где:

  • G — гравитационная постоянная ($6.67×10^{-11} {Н×м^2\over кг^2}$);
  • M — масса Земли ($5.97×10^24$ кг);
  • R — радиус Земли ($6.37×10^6$ м);
  • m — масса тела, кг;
  • h — высота центра тяжести тела над Землей, м.

Сила тяжести приложена к рассматриваемому телу и направлена от центра масс тела к центру Земли. Она действует постоянно и не зависит ни от каких других факторов. «Укрыться» от нее невозможно, как-то ее изменить (без изменения масс и расстояний) — тоже.

Сила тяжести

Рис. 1. Сила тяжести.

Вес тела

Вес тела — это та самая величина, которая измеряется обычными весами (пружинными или рычажными). Если рассмотреть процесс взвешивания, можно обнаружить все ее особенности.

Вес появляется благодаря силе тяжести. Действительно, в глубоком космосе тело невозможно взвесить на весах, поскольку там отсутствуют сила тяжести. То есть вес предполагает наличие опоры или подвеса. Невозможно взвесить тело, которое не уложено на весы.

Вес не является постоянной величиной и зависит от движения опоры или подвеса. В самом деле, если взять пружинные весы, уложить на них некоторое тело и начать их двигать вверх или вниз, можно заметить, что показания весов становятся больше или меньше. Иногда говорят, что на подвижных весах вес измеряется неверно. Но это не совсем правильно. Тонкость в том, что с помощью весов производится определение массы тела, которая пропорциональна весу тела на покоящихся весах. При этом, если весы движутся с ускорением, то масса тела остается прежней, а вес тела меняется — меняются и показания весов.

Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Без опоры вес тела равен нулю, тело находится в состоянии невесомости. Фактически вес — это проявление сил упругости опоры или подвеса.

Вес тела

Рис. 2. Вес тела.

Общее и различия

Выделим общие стороны этих двух понятий:

  • Во-первых, обе этих величины являются силами. Для них действуют все законы динамики.
  • Во-вторых, обе эти силы возникают в присутствии гравитации. В глубоком космосе нет ни сил тяжести, ни веса.
  • В-третьих, обе эти силы действуют в одном и том же направлении.
  • В-четвертых, для инерциальной системы отсчета при наличии опоры, двигающейся без ускорения, вес тела равен силе тяжести.

Среди отличий веса и силы тяжести можно назвать следующие:

  • Во-первых, сила тяжести и вес тела всегда приложены к разным телам. Сила тяжести приложена к самому телу, вес — к опоре тела.
  • Во-вторых, сила тяжести в данной точке и для данных масс неизменна. Вес зависит от наличия опоры и от ускорения, с которым опора движется. Вес может быть не равен силе тяжести.
  • В-третьих, вес может возникать и без силы тяжести: если опора будет двигаться с ускорением.
  • В-четвертых, эти силы имеют различную физическую природу. Сила тяжести — это результат гравитационного взаимодействия масс тел. Вес — это результат взаимодействия тела и опоры, фактически электростатического взаимодействия молекул опоры. То есть вес — это одно из проявлений силы упругости.

Рис. 3. Сила тяжести и вес тела.

Что мы узнали?

Понятия «вес» и «сила тяжести» имеют как общие, так и различные черты. Общее в них то, что и то, и другое — силы, возникающие в результате гравитации. В инерциальной системе отсчета при нулевом ускорении опоры они равны и по модулю, и по направлению. Однако они всегда приложены к разным телам, не всегда равны между собой и имеют различную физическую природу.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Понятия «сила тяжести» и «вес» характеризуют результат действия:

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    
  • Даня Скворцов
    7/10

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 64.

Предметы