В некоторых случаях сила тяжести и вес объекта равны по своему значению. Из-за этого может возникнуть ложное впечатление, что между данными величинами нет разницы. Попытаемся развеять подобные предположения и рассмотрим, чем отличается сила тяжести от веса тела.
Определение
Силой тяжести называют величину, отражающую притягивающее действие Земли на объект, расположенный близко к ее поверхности.
Сила тяжести
Вес тела рассматривают как силу, исходящую от предмета в отношении его опоры или верхнего крепления (например, нити или пружины).
Вес тела Сравнение
Разобраться, в чем состоит отличие силы тяжести от веса тела, легче на конкретном примере. Так, лежащая на полке книга подвергается воздействию силы тяжести. Последняя приложена непосредственно к телу. Подобное явление гравитационной природы характеризуется взаимодействием предмета и Земли.
В то же время полка испытывает вес книги. Речь здесь идет о силе, которая направлена на опору. Взаимодействуют в нашем примере книга и полка, хотя причиной существования веса также является притяжение Земли. Если опору убрать, предмет будет свободно падать. При этом вес исчезнет и останется лишь сила тяжести, которая постоянно действует на тела, но может компенсироваться другими силами, например архимедовой.
Важно, что обе величины являются векторными. Но сила тяжести при любом размещении тела направлена вниз. Однако в случае с весом ключевое значение имеет положение в пространстве опоры. Такая сила всегда направлена перпендикулярно ей. Исследуемые величины совпадают по вектору только при условии, что опора, испытывающая вес, находится в горизонтальной плоскости.
Рассматривая, в чем разница между силой тяжести и весом тела, стоит подчеркнуть, что вторая из данных величин зависит от того, движется ли предмет и наблюдается ли при этом ускорение. Только если тело находится в покое или перемещается равномерно, вес не отличается по значению от силы тяжести. При других условиях равенство между величинами отсутствует. Например, вес в набирающем скорость лифте отличается от того, что был до отправки устройства и совпадал с силой тяжести.
Выпуск 15Пятнадцатая серия передачи посвящена новым физическим величинам — массе тела и его весу. Эти понятия часто путают и измеряют вес в килограммах. Но это является грубой ошибкой и профессор Даниил Эдисонович Кварк объяснит, почему это так. Можно ли изменить свой вес тела или даже сделать его совершенно невесомым? Физика отвечает утвердительно. Хотите узнать, как это сделать? Тогда смотрите видеоурок физики от Академии занимательных наук, посвящённый массе и весу тела.
Масса и вес тела
В чём заключается отличие между массой и весом тела? Вроде бы это одно и то же. Но почему тогда, стоя на весах, мы можем изменять их показания, выполняя те или иные действия (поднимая руки или сгибая туловище)? Видеоурок физики — это то, что нужно для выяснения этих вопросов. Да, разница есть. С точки зрения физики, неправильно интересоваться у продавца, сколько весит тот или иной продукт. А правильно — спросить, какова его масса! Вес это векторная величина, сила. Она всегда имеет направление. При неизменной массе тела, его вес можно изменить. Например, положив на весы банан и надавив на него рукой мы получим больший вес, в то время, как масса банана останется прежней. Вес тела — это сила, с которой это тело, притягиваясь к земле, давит на опору или растягивает подвес. Если масса тела измеряется в килограммах, то вес, как и любая сила — ньютонами. Теперь понятно, почему неверно говорить, что вес тела равен столько-то килограммам? Итак, вес тела всегда измеряется в ньютонах, в то время как масса тела может измерять в граммах, килограммах и т.д. В отличие от массы тела, вес тела не является постоянной величиной. Он может увеличиваться или уменьшаться, при этом масса тела останется прежней. Масса тела представляет собой скалярную величину. Почему если сильно раскачаться на качелях, начинает «захватывать дух»? Профессор Кварк считает, что это ощущение невесомости, похожее на то, которое бывает в космосе. Как же получается, что вес тела становится равным нулю, пусть даже на какое-то мгновение? А получается так потому, что в момент падения тело ни на что не давит и ничего не оттягивает, следовательно, не имеет веса. Вот ещё один пример, доказывающий, что вес тела может меняться при неизменной массе. В воде все тела весят меньше, чем на суше. Иначе мы не могли бы плавать, а шли прямиком ко дну. Слон с массой тела в 1 тонну весит на суше больше, чем в воде. Киты с массой более 30 тонн способны в воде парить как птицы.
Понятие, с которым мы знакомы с самого раннего детства, - масса. И все же в курсе физики с ее изучением связаны некоторые трудности. Поэтому нужно четко определить, Как ее можно узнать? И почему она не равна весу?
Определение массы
Естественнонаучный смысл этой величины в том, что она определяет количество вещества, которое содержится в теле. Для ее обозначения принято использовать латинскую букву m. Единицей измерения в стандартной системе является килограмм. В задачах и повседневной жизни часто используются и внесистемные: грамм и тонна.
В школьном курсе физики ответ на вопрос: «Что такое масса?» дается при изучении явления инерции. Тогда она определяется, как способность тела сопротивляться изменению скорости своего движения. Поэтому массу еще называют инертной.
Что такое вес?
Во-первых, это сила, то есть вектор. Масса же является скалярной веса всегда приложен к опоре или подвесу и направлен в ту же сторону, что и сила тяжести, то есть вертикально вниз.
Формула для вычисления веса зависит от того, движется ли эта опора (подвес). В случае покоя системы используется такое выражение:
Р = m * g, где Р (в английских источниках используется буква W) — вес тела, g — ускорение свободного падения. Для земли g принято брать равным 9,8 м/с 2 .
Из нее может быть выведена формула массы: m = Р / g.
При движении вниз, то есть в направлении действия веса, его значение уменьшается. Поэтому формула принимает вид:
Р = m (g - а). Здесь «а» — это ускорение движения системы.
То есть при равенстве этих двух ускорений наблюдается состояние невесомости, когда вес тела равен нулю.
Когда тело начинает двигаться вверх, то говорят об увеличении веса. В этой ситуации возникает состояние перегрузки. Потому что вес тела увеличивается, а формула его будет выглядеть так:
Р = m (g + а).
Как масса связана с плотностью?
Решение. 800 кг/м 3 . Для того чтобы воспользоваться уже известной формулой, нужно знать объем пятна. Его легко вычислить, если принять пятно за цилиндр. Тогда формула объема будет такой:
V = π * r 2 * h.
Причем r — это радиус, а h — высота цилиндра. Тогда объем получится равным 668794,88 м 3 . Теперь можно сосчитать массу. Она получится такой: 535034904 кг.
Ответ: масса нефти приблизительно равна 535036 т.
Задача № 5. Условие: Длина самого длинного телефонного кабеля равна 15151 км. Чему равна масса меди, которая пошла на его изготовление, если сечение проводов равно 7,3 см 2 ?
Решение. Плотность меди равна 8900 кг/м 3 . Объем находится по формуле, которая содержит произведение площади основания на высоту (здесь длину кабеля) цилиндра. Но сначала нужно перевести эту площадь в квадратные метры. То есть разделить данное число на 10000. После расчетов получается, что объем всего кабеля приблизительно равен 11000 м 3 .
Теперь нужно перемножить значения плотности и объема, чтобы узнать, чему равна масса. Результатом оказывается число 97900000 кг.
Ответ: масса меди равна 97900 т.
Еще одна задача, связанная с массой
Задача № 6. Условие: Самая большая свеча массой 89867 кг была диаметром 2,59 м. Какой была ее высота?
Решение. Плотность воска — 700 кг/м 3 . Высоту потребуется найти из То есть V нужно разделить на произведение π и квадрата радиуса.
А сам объем вычисляется по массе и плотности. Он оказывается равным 128,38 м 3 . Высота же составила 24,38 м.
Ответ: высота свечи равна 24,38 м.
В жизни мы очень часто говорим: «вес 5 килограмм», «весит 200 грамм» и так далее. И при этом не знаем, что допускаем ошибку, говоря так. Понятие веса тела изучают все в курсе физики в седьмом классе, однако ошибочное использование некоторых определений смешалось у нас настолько, что мы забываем изученное и считаем, что вес тела и масса это одно и то же.
Однако это не так. Более того, масса тела величина неизменная, а вот вес тела может меняться, уменьшаясь вплоть до нуля. Так в чем же ошибка и как говорить правильно? Попытаемся разобраться.
Вес тела и масса тела: формула подсчета
Масса это мера инертности тела, это то, каким образом тело реагирует на приложенное к нему воздействие, либо же само воздействует на другие тела. А вес тела это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес под влиянием притяжения Земли.
Масса измеряется в килограммах, а вес тела, как и любая другая сила в ньютонах. Вес тела имеет направление, как и любая сила, и является величиной векторной. А масса не имеет никакого направления и является величиной скалярной.
Стрелочка, которой обозначается вес тела на рисунках и графиках, всегда направлена вниз, так же, как и сила тяжести.
Формула веса тела в физике записывается следующим образом:
где m - масса тела
g - ускорение свободного падения = 9,81 м/с^2
Но, несмотря на совпадение с формулой и направлением силы тяжести, есть серьезное различие между силой тяжести и весом тела. Сила тяжести приложена к телу, то есть, грубо говоря, это она давит на тело, а вес тела приложен к опоре или подвесу, то есть, здесь уже тело давит на подвес или опору.
Но природа существования силы тяжести и веса тела одинакова притяжение Земли. Собственно говоря, вес тела является следствием приложенной к телу силы тяжести. И, так же как и сила тяжести, вес тела уменьшается с увеличением высоты.
Вес тела в невесомости
В состоянии невесомости вес тела равен нулю. Тело не будет давить на опору или растягивать подвес и весить ничего не будет. Однако, будет по-прежнему обладать массой, так как, чтобы придать телу какую-либо скорость, надо будет приложить определенное усилие, тем большее, чем больше масса тела.
В условиях же другой планеты масса также останется неизменной, а вес тела увеличится или уменьшится, в зависимости от силы притяжения планеты. Массу тела мы измеряем весами, в килограммах, а чтобы измерить вес тела, который измеряется в ньютонах, можно применить динамометр специальное устройство для измерения силы.
Изучением различия между массой и весом тела занимался Ньютон. Он рассуждал так: мы прекрасно знаем, что различные вещества, взятые в одинаковых объемах, весят неодинаково.
Масса
Количество вещества, содержащееся в том или ином предмете, Ньютон назвал массой.
Масса - то общее, что присуще всем без исключения предметам, - все равно, будут ли это черепки от старого глиняного горшка или золотые часы.
Например, кусочек золота более чем вдвое тяжелее точно такого же кусочка меди. Вероятно, частички золота, предположил Ньютон, способны укладываться плотнее, чем частички меди, и в золоте умещается больше вещества, чем в таком же по размерам куске меди.
Современные ученые установили, что различная плотность веществ объясняется не только тем, что частицы вещества уложены более плотно. Сами мельчайшие частички - атомы - отличаются по весу друг от друга: атомы золота тяжелее атомов меди .
Лежит ли какой-нибудь предмет неподвижно, или свободно падает на землю, или качается, подвешенный на нитке, - его масса при всех условиях остается неизменной .
Когда мы хотим узнать, как велика масса предмета, мы взвешиваем его на обычных торговых или лабораторных весах с чашками и гирями. На одну чашку весов кладем предмет, а на другую гири и таким образом сравниваем массу предмета с массой гирь. Поэтому торговые и лабораторные весы можно перевозить куда угодно: на полюс и на экватор, на вершину высокой горы и в глубокую шахту. Всюду и везде, даже на других планетах, эти весы будут показывать правильно, потому что с их помощью мы определяем не вес, а массу.
В разных точках земли можно измерять пружинными весами. Прицепив на крючок пружинных весов какой-либо предмет, мы сравниваем силу притяжения Земли, которую испытывает этот предмет, с силой упругости пружины. Сила тяжести тянет вниз, (подробнее: ) сила пружины - вверх, и, когда обе силы уравновесятся, указатель весов останавливается на определенном делении.
Пружинные весы верны только на той широте, где они изготовлены. Во всех других широтах, на полюсе и на экваторе они будут показывать различный вес. Правда, разница невелика, но она все же обнаружится, потому что сила тяжести на Земле не везде одинакова, а сила упругости пружины, разумеется, остается постоянной.
На других планетах эта разность окажется значительной и заметной. На Луне, например, предмет, весивший на Земле 1 килограмм, потянет на пружинных весах, привезенных с Земли, 161 грамм, на Марсе - 380 граммов, а на огромном Юпитере - 2640 граммов.
Чем больше масса планеты, тем больше и сила, с которой она притягивает тело, подвешенное на пружинных весах .
Поэтому так много весит тело на Юпитере и так мало на Луне.