По какой формуле можно рассчитать силу тяжести. Сила тяжести: формула, определение
Я не понял урок на физике и не знаю как определить силу тяжести!
Ответ
Сила тяжести — это свойство тел с массой притягиваться друг к другу. Тела, которые имеют массу, всегда притягиваются друг к другу. Притяжения тел с очень большими массами в астрономических масштабах создает значительные силы, благодаря которым мир является таким, каким мы его знаем.
Сила притяжения является причиной земного притяжения, в результате которого предметы падают на нее. Благодаря силе притяжения Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты — вокруг Солнца, Солнечная система — вокруг центра Галактики.
В физике сила тяжести — это сила, с которой тело действует на опору или вертикальный подвес. Эта сила направлена всегда вертикально вниз.
F — сила с которой действует тело. Измеряется в ньютонах (Н).
m — масса (вес) тела. Измеряется в килограммах (кг)
g — ускорение свободного падения. Измеряется в ньютонах разделенных на килограмм (Н/кг). Ее величина постоянная и в среднем по земной поверхности равна 9,8 Н/кг.
Как определить силу притяжения?
Пример:
Пусть масса чемодана равна 15 кг, тогда чтобы найти силу притяжения чемодана к Земле воспользуемся формулой:
F= m*g = 15*9,8 = 147 Н.
То есть сила притяжения чемодана составляет 147 ньютонов.
Значение g для планеты Земля неодинаково — на экваторе оно составляет 9,83 Н/кг, а на полюсах 9,78 Н/кг. Поэтому и берут среднее значение, которое мы использовали для расчета. Точные значения для различных регионов планеты используют в авиакосмической отрасли, а также на них обращают внимания в спорте, при тренировках спортсменов для участия в соревнованиях в других странах.
Историческая справка: впервые посчитал g и вывел формулу силы тяжести, а если точнее формулу силы с которой тело действует на другие тела, в 1687 году известный английский физик Исаак Ньютон. Именно в его честь и названа единица измерения силы. Существует легенда, что Ньютон начал исследовать вопрос силы тяжести после того, как ему упало на голову яблоко.
Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Сила обозначается как , измеряется в Ньютонах. Для того, чтобы различать силы, их обозначают следующим образом
Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!
Сил в природе много. Здесь рассмотрены силы, которые рассматриваются в школьном курсе физики при изучении динамики. А также упомянуты другие силы, которые будут рассмотрены в других разделах.
Сила тяжести
На каждое тело, находящееся на планете, действует гравитация Земли . Сила, с которой Земля притягивает каждое тело, определяется по формуле
Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз .
Сила трения
Познакомимся с силой трения. Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся. Определяется сила трения по формуле:
Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей. Направлена в сторону противоположную движению.
Сила реакции опоры
Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно третьему закону Ньютона стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы "говорит" реагирует опора . Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, "сопротивляются".
Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.
Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой , но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как
Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
Сила упругости
Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Например, когда растягиваем пружину, мы увеличиваем расстояние между молекулами материала пружины. Когда сжимаем пружину - уменьшаем. Когда перекручиваем или сдвигаем. Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации - сила упругости.
Закон Гука
Сила упругости направлена противоположно деформации.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле
При параллельном соединении жесткость
Жесткость образца. Модуль Юнга.
Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.
Подробнее о свойствах твердых тел .
Вес тела
Вес тела - это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Путаница происходит в следующем: действительно часто вес тела равен силе тяжести, но это силы совершенно разные. Сила тяжести - сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей. Вес - результат взаимодействия с опорой. Сила тяжести приложена в центре тяжести предмета, вес же - сила, которая приложена на опору (не на предмет)!
Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой .
Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.
Сила реакции опоры и вес - силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены. Вес - это сила, которая действует на опору, а не на тело. Сила тяжести действует на тело.
Вес тела может быть не равен силе тяжести. Может быть как больше, так и меньше, а может быть и такое, что вес равен нулю. Это состояние называется невесомостью . Невесомость - состояние, когда предмет не взаимодействует с опорой, например, состояние полета: сила тяжести есть, а вес равен нулю!
Определить направление ускорения возможно, если определить, куда направлена равнодействующая сила
Обратите внимание, вес - сила, измеряется в Ньютонах. Как верно ответить на вопрос: "Сколько ты весишь"? Мы отвечаем 50 кг, называя не вес, а свою массу! В этом примере, наш вес равен силе тяжести, то есть примерно 500Н!
Перегрузка - отношение веса к силе тяжести
Сила Архимеда
Сила возникает в результате взаимодействия тела с жидкость (газом), при его погружении в жидкость (или газ). Эта сила выталкивает тело из воды (газа). Поэтому направлена вертикально вверх (выталкивает). Определяется по формуле:
В воздухе силой Архимеда пренебрегаем.
Если сила Архимеда равна силе тяжести, тело плавает. Если сила Архимеда больше, то оно поднимается на поверхность жидкости, если меньше - тонет.
Электрические силы
Существуют силы электрического происхождения. Возникают при наличии электрического заряда. Эти силы, такие как сила Кулона , сила Ампера , сила Лоренца , подробно рассмотрены в разделе Электричество .
Схематичное обозначение действующих на тело сил
Часто тело моделируют материальной точкой . Поэтому на схемах различные точки приложения переносят в одну точку - в центр, а тело изображают схематично кругом или прямоугольником.
Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить, что происходит в результате взаимодействия с каждым: трение, деформация, притяжение или может быть отталкивание. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.
Главное запомнить
1) Силы и их природа;
2) Направление сил;
3) Уметь обозначить действующие силы
Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое) трение. Внешнее трение возникает между соприкасающимися твердыми поверхностями, внутреннее - между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Существует три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Трение качения определяется по формуле
Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или в газе. Величина силы сопротивления зависит от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости или газа. При небольших скоростях движения сила сопротивления пропорциональна скорости тела
При больших скоростях пропорциональна квадрату скорости
Рассмотрим взаимное притяжение предмета и Земли. Между ними, согласно закону гравитации возникает сила 
А сейчас сравним закон гравитации и силу тяжести 
Величина ускорения свободного падения зависит от массы Земли и ее радиуса! Таким образом, можно высчитать, с каким ускорением будут падать предметы на Луне или на любой другой планете, используя массу и радиус той планеты.
Расстояние от центра Земли до полюсов меньше, чем до экватора. Поэтому и ускорение свободного падения на экваторе немного меньше, чем на полюсах. Вместе с тем, следует отметить, что основной причиной зависимости ускорения свободного падения от широты местности, является факт вращения Земли вокруг своей оси.
При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорения свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли.
Тяжести называют силу, с которой Земля притягивает к себе тело, находящееся вблизи ее поверхности.
Явления тяготения можно наблюдать повсеместно в окружающем нас мире. Подброшенный вверх мяч падает вниз, брошенный в горизонтальном направлении камень через некоторое время окажется на земле. Запущенный с Земли скусственный спутник благодаря чвлению тяготения летит не по прямой, а движется вокруг Земли.
Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз, к центру Земли. Она обозначается латинской буквой F т (т - тяжесть). Сила тяжести приложена к центру тяжести тела.
Чтобы найти центр тяжести произвольной формы надо подвесить тело на нити за разные его точки. Точка пересечения всех направлений, отмеченных нитью, будет центром тяжести тела. Центр тяжести тел правильной формы находится в центре симметрии тела, и необязательно, чтобы она принадлежала телу (например, центр симметрии кольца).
Для находящегося вблизи поверхности Земли тела сила тяжести равна:
где - масса Земли , m - масса тела , R - радиус Земли .
Если на тело действует только эта сила (а все другие уравновешены), то оно совершает свободное падение. Ускорение этого свободного падения можно найти, применив второй закон Ньютона :
(2)
Из этой формулы можно сделать вывод, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела m , следовательно, оно одинаково для всех тел. Согласно второму закону Ньютона , сила тяжести может быть определена как произведение массы тела на ускорение (в данном случае - ускорение свободного падения g );
Сила тяжести , действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.
Как и второй закон Ньютона, формула (2) справедлива только в инерциальных системах отсчета. На поверхности Земли инерциальными системами отсчета могут быть только системы, связанные с полюсами Земли, которые не принимают участия в ее суточном вращении. Все остальные точки земной поверхности движутся по окружностям с центростремительными ускорениями и связанные с этими точками системы отсчета неинерциальны.
Из-за вращения Земли ускорение свободного падения на разных широтах различно. Однако, ускорения свободного падения в разных районах земного шара различается очень мало и очень мало отличаются от значения, вычисленного по формуле
Поэтому при грубых расчетах пренебрегают неинерциальносью системы отсчета, связанной с поверхностью Земли, и ускорение свободного падения считают всюду одинаковым.
Определение 1
Сила тяжести считается приложением к центру тяжести тела, определяемому путем подвешивания тела на нити за его различные точки. При этом точка пересечения всех направлений, которые отмечены нитью, и будет считаться центром тяжести тела.
Понятие силы тяжести
Силой тяжести в физике считают силу, действующую на любое физическое тело, пребывающее вблизи земной поверхности либо иного астрономического тела. Сила тяжести на поверхности планеты, по определению, будет складываться из гравитационного притяжения планеты, а также центробежной силы инерции, спровоцированной суточным вращением планеты.
Иные силы (например, притяжение Солнца и Луны) по причине их малости не учитываются или изучаются отдельно в формате временных изменений гравитационного поля Земли. Сила тяжести сообщает всем телам, в независимости от их массы, равное ускорение, представляя при этом консервативную силу. Она вычисляется на основании формулы:
$\vec {P} = m\vec{g}$,
где $\vec{g}$-ускорение, которое сообщается телу силой тяжести, обозначенное как ускорение свободного падения.
На тела, передвигающиеся относительно поверхности Земли, помимо силы тяжести, также оказывает непосредственное воздействие сила Кориолиса, представляющая силу, используемую при изучении движения материальной точки по отношению к вращающейся системе отсчета. Присоединение силы Кориолиса к воздействующим на материальную точку физическим силам позволит учитывать воздействие вращения системы отсчета на подобное движение.
Важные формулы для расчета
Соответственно закону всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения, воздействующая на материальную точку с ее массой $m$ на поверхности астрономического сферически симметричного тела с массой $M$, будет определяться соотношением:
$F={G}\frac{Mm}{R^2}$, где:
- $G$-гравитационная постоянная,
- $R$- радиус тела.
Указанное соотношение оказывается справедливым, если предположить сферически симметричное распределение массы по объему тела. Тогда сила гравитационного притяжения направляется непосредственно к центру тела.
Модуль центробежной силы инерции $Q$, воздействующей на материальную частицу, выражен формулой:
$Q = maw^2$, где:
- $a$- расстояние между частицей и осью вращения астрономического тела, которое рассматривается,
- $w$-угловая скорость его вращения. При этом центробежная сила инерции становится перпендикулярной оси вращения и направленной в сторону от нее.
В векторном формате выражение для центробежной силы инерции записывается так:
$\vec{Q} = {mw^2\vec{R_0}}$, где:
$\vec {R_0}$- вектор, перпендикулярный оси вращения, который проведен от нее к указанной материальной точке, пребывающей вблизи поверхности Земли.
При этом сила тяжести $\vec {P}$ будет равнозначна сумме $\vec {F}$ и $\vec {Q}$:
$\vec{P} = \vec{F} = \vec{Q}$
Закон притяжения
Без присутствия силы тяжести стало бы невозможным происхождение многих, сейчас кажущихся нам естественными, вещей: так, не было бы схождение с гор лавин, течения рек, дождей. Атмосфера Земли может сохраняться исключительно благодаря воздействию силы тяжести. Планеты с меньшей массой, например, Луна или Меркурий, растеряли всю свою атмосферу довольно стремительными темпами и стали беззащитными перед потоками агрессивного космического излучения.
Атмосфера Земли сыграла решающее значение при процессе формирования жизни на Земле, ее. Помимо силы тяжести, на Земле воздействует также сила притяжения Луны. За счет ее близкого соседства (в космических масштабах), на Земле возможно существование отливов и приливов, а многие биологические ритмы являются совпадающими с лунным календарем. Силу тяжести, таким образом, нужно рассматривать в формате полезного и важного закона природы.
Замечание 2
Закон притяжения считается универсальным и возможен к применению в отношении любых двух тел, обладающих определенной массой.
В ситуации, если масса одного взаимодействующего тела оказывается намного больше массы второго, говорится о частном случае гравитационной силы, для которого существует специальный термин, такой как «сила тяжести». Он применим к задачам, ориентированным на определение силы притяжения на Земле или иных небесных телах. При подставлении значения силы тяжести в формулу второго закона Ньютона, получаем:
Здесь $а$ – ускорение силы тяжести, принуждающее тела стремиться друг к другу. В задачах, связанных с задействованием ускорения свободного падения, такое ускорение обозначают буквой $g$. С помощью собственного интегрального исчисления, Ньютону математически удалось доказать постоянную сосредоточенность силы тяжести в центре большего тела.
