Что такое невесомость, интересные факты и как испытать чувство невесомости. Интересные факты про невесомость Как возникает невесомость
На прошлых уроках мы с вами разобрали, что такое сила всемирного тяготения и ее частный случай - сила тяжести, которая действует на тела, находящиеся на Земле.
Сила тяжести - сила, действующая на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела. Сила тяжести играет важнейшую роль в нашей жизни, поскольку ее воздействию подвержено все, что нас окружает. Сегодня мы разберем еще одну силу, которая чаще всего связана с силой тяжести. Это сила - вес тела. Тема сегодняшнего урока: «Вес тела. Невесомость»
Под действием силы упругости, которая приложена к верхнему краю тела, это тело, в свою очередь, также деформируется, возникает другая сила упругости, обусловленная деформацией тела. Эта сила приложена к нижнему краю пружины. Кроме того, она равна по модулю силе упругости пружины и направлена вниз. Именно эту силу упругости тела мы и будем называть его весом, то есть вес тела приложен к пружине и направлен вниз.
После того как колебания тела на пружине затухнут, система придет в состояние равновесия, в котором сумма сил, действующих на тело, будет равна нулю. Это значит, что сила тяжести равна по модулю и противоположна по направлению силе упругости пружины (Рис. 2). Последняя равна по модулю и противоположна по направлению весу тела, как мы уже выяснили. Значит, сила тяжести по модулю равна весу тела. Данное соотношение не универсально, но в нашем примере - справедливо.
Рис. 2. Вес и сила тяжести ()
Приведенная формула не означает, что сила тяжести и вес - одно и то же. Эти две силы разные по своей природе. Вес - это сила упругости, приложенная к подвесу со стороны тела, а сила тяжести - это сила, приложенная к телу со стороны Земли.
Рис. 3. Вес и сила тяжести тела на подвесе и на опоре ()
Выясним некоторые особенности веса. Вес - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, из этого следует, что если тело не подвешено или не закреплено на опоре, то его вес равен нулю. Данный вывод кажется противоречивым нашему повседневному опыту. Однако он имеет вполне справедливые физические примеры.
Если пружину с подвешенным к ней телом отпустить и позволить ей свободно падать, то указатель динамометра будет показывать нулевое значение (Рис. 4). Причина этого проста: груз и динамометр движутся с одинаковым ускорением (g) и одинаковой нулевой начальной скоростью (V 0). Нижний конец пружины движется синхронно с грузом, при этом пружина не деформируется и силы упругости в пружине не возникает. Следовательно, не возникает и встречной силы упругости, которая является весом тела, то есть тело не обладает весом, или является невесомым.
Рис. 4. Свободное падение пружины с подвешенным к ней телом ()
Состояние невесомости возникает благодаря тому, что в земных условиях сила тяжести сообщает всем телам одинаковое ускорение, так называемое ускорение свободного падения. Для нашего примера мы можем сказать, что груз и динамометр движутся с одинаковым ускорением. Если на тело действует только сила тяжести или только сила всемирного тяготения, то это тело находится в состоянии невесомости. Важно понимать, что в этом случае исчезает только вес тела, но не сила тяжести, действующая на это тело.
Состояние невесомости - не экзотика, довольно часто многие из вас его испытывали - любой человек, подпрыгивающий или спрыгивающий с какой либо высоты, до момента приземления находится в состоянии невесомости.
Рассмотрим случай, когда динамометр и прикрепленное к его пружине тело движутся вниз с некоторым ускорением, но не совершают при этом свободного падения. Показания динамометра уменьшатся по сравнению с показаниями при неподвижном грузе и пружине, значит, вес тела стал меньше, чем он был в состоянии покоя. В чем причина такого уменьшения? Дадим математическое объяснение, опираясь на второй закон Ньютона.
Рис. 5. Математическое объяснение веса тела ()
На тело действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз, и сила упругости пружины, направленная вверх. Эти две силы сообщают телу ускорение. и уравнение движения будет иметь вид:
Выберем ось y (Рис. 5), поскольку все силы направлены вертикально, нам достаточно одной оси. В результате проецирования и переноса слагаемых получим - модуль силы упругости будет равен:
ma = mg - F упр
F упр = mg - ma,
где в левой и правой части уравнения стоят проекции сил, указанных во втором законе Ньютона, на ось y. Согласно определению, вес тела по модулю равен силе упругости пружины, и, подставив ее значение, получим:
P = F упр = mg - ma = m(g - а)
Вес тела равен произведению массы тела на разность ускорений. Из полученной формулы видно, что если модуль ускорения тела меньше модуля ускорения свободного падения, то вес тела меньше силы тяжести, то есть вес тела, движущегося ускоренно, меньше веса покоящегося тела.
Рассмотрим случай, когда тело с грузиком движется ускоренно вверх (Рис. 6).
Стрелка динамометра покажет значение веса тела большее, чем покоящегося груза.
Рис. 6. Тело с грузиком движется ускоренно вверх ()
Тело движется вверх, и его ускорение направлено туда же, следовательно, нам необходимо поменять знак проекции ускорения на ось у.
Из формулы видно, что теперь вес тела больше силы тяжести, то есть больше веса покоящегося тела.
Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называется перегрузкой .
Это справедливо не только для тела, подвешенного на пружине, но и для тела, укрепленного на опоре.
Рассмотрим пример, в котором проявляется изменение тела при его ускоренном движении (Рис. 7).
Автомобиль движется по мосту выпуклой траектории, то есть по криволинейной траектории. Будем считать форму моста дугой окружности. Из кинематики мы знаем, что автомобиль движется с центростремительным ускорением, величина которого равна квадрату скорости, деленной на радиус кривизны моста. В момент нахождения его в наивысшей точке, это ускорение будет направлено вертикально вниз. Согласно второму закону Ньютона это ускорение сообщается автомобилю равнодействующей силой тяжести и силой реакции опоры.
Выберем координатную ось у, направленную вертикально вверх, и запишем это уравнение в проекции на выбранную ось, подставим значения и проведем преобразования:
Рис. 7. Наивысшая точка нахождения автомобиля ()
Вес автомобиля, по третьему закону Ньютона, равен по модулю силе реакции опоры (), при этом мы видим, что вес автомобиля по модулю меньше силы тяжести, то есть меньше веса неподвижного автомобиля.
Ракета при старте с Земли движется вертикально вверх с ускорением а=20 м/с 2 . Каков вес летчика-космонавта, находящегося в кабине ракеты, если его масса m=80 кг?
Совершенно очевидно, что ускорение ракеты направлено вверх и для решения мы должны использовать формулу веса тела для случая с перегрузом (Рис. 8).
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Необходимо отметить, что если неподвижное относительно Земли тело имеет вес 2400 Н, то его масса составляет 240 кг, то есть космонавт ощущает себя в три раза массивнее, чем есть на самом деле.
Мы разобрали понятие веса тела, выяснили основные свойства этой величины и получили формулы, которые позволяют нам рассчитать вес тела, движущегося с ускорением.
Если тело движется вертикально вниз, при этом модуль его ускорения меньше ускорения свободного падения, то вес тела уменьшается по сравнению со значением веса неподвижного тела.
Если тело движется ускоренно вертикально вверх, то его вес возрастает и при этом тело испытывает перегруз.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.
Домашнее задание
- Дать определение весу тела.
- В чем различие между весом тела и силой тяжести?
- Когда возникает состояние невесомости?
- Интернет-портал Physics.kgsu.ru ().
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
- Интернет-портал Terver.ru ().
НЕВЕСОМОСТЬ
- состояние, в к-ром находится
материальное тело, свободно движущееся в поле тяготения Земли (или любого др.
небесного тела) под действием только сил тяготения. Отличит. особенность состояния
H. в том, что при H. действующие на частицы тела внеш. силы (силы тяготения)
не вызывают взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Когда тело покоится в поле тяготения Земли на
горизонтальной плоскости, на него действуют и численно равная ей,
но противоположно направленная сила - реакция плоскости. В результате в теле
возникают внутр. усилия в виде взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Человеческий организм воспринимает такие внутр. усилия как привычное для него
состояние весомости. Появляются эти внутр. усилия за счёт действия реакции плоскости.
Реакция является силой поверхностной, т. е. силой, непосредственно действующей
на какую-то часть поверхности тела; другим же частицам тела действие этой силы
передаётся путём давления на них соседних частиц, что и вызывает в теле соответствующие
внутр. усилия. Аналогичные внутр. усилия возникают при действии на тело любых
др. поверхностных сил: силы тяги, силы сопротивления среды и т. п. Если поверхностная
сила численно больше силы тяжести, то соответственно больше и внутр. усилия,
что вызывает явление перегрузки и имеет, напр., место при старте ракеты.
Сила тяготения является силой массовой и, в отличие
от поверхностных сил, действует непосредственно на каждую из частиц тела. Поэтому,
когда на тело действуют только силы тяготения, они непосредственно сообщают
каждой из частиц тела одно и то же ускорение и эти частицы движутся как свободные,
не оказывая взаимных давлений друг на друга; тело находится в состоянии H.
Вообще состояние H. имеет место, когда: а) действующие
на тело внеш. силы являются только массовыми (силы тяготения); б) поле этих
массовых сил локально однородно, т. е. силы поля сообщают всем частицам тела
в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения, что при
движении в поле тяготения Земли практически имеет место, если размеры тела малы
по сравнению с радиусом Земли; в) нач. скорости всех частиц тела по модулю и
направлению одинаковы (тело движется поступательно).
Напр., космич. летат. аппарат (или ИСЗ) и все
находящиеся в нём тела, получив соответствующую нач. скорость, движутся под
действием сил тяготения вдоль своих орбит практически с одинаковыми ускорениями,
как свободные, и ни сами тела, ни их частицы взаимных давлений друг на друга
не оказывают, т. е. находятся в состоянии
H. При этом по отношению к кабине летат. аппарата находящееся в нём тело может
в любом месте оставаться в покое (свободно "висеть" в пространстве).
Хотя силы тяготения при Н. действуют на все частицы тела, но пет внеш. поверхностных
сил, к-рые могли бы вызывать взаимные давления частиц друг на друга. Отметим,
что внутр. усилия другой природы, вызванные не внеш. воздействиями, напр. молекулярные
силы, температурные , мускульные усилия в теле человека, могут иметь
место и в состоянии H.
H. может существенно влиять на ряд физ. явлений.
Напр., у жидкости, налитой в сосуд, силы межмолекулярного взаимодействия, малые
в "земных" условиях по сравнению с силами давления, обусловленными
весомостью, влияют только на форму мениска. При H. действие этих сил приводит
к тому, что смачивающая жидкость, помещённая в закрытый сосуд, равномерно распределяется
по стенкам сосуда, а воздух, если он есть, занимает среднюю часть сосуда, несмачивающая
же жидкость принимает в сосуде форму шара. Капли вылившейся из сосуда жидкости
тоже стягиваются в шарики.
Вследствие значит. отличия условий H. от "земных"
условий, в к-рых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты ИСЗ, космич. летат.
аппаратов и их ракет-носителей, проблема H. занимает важное место среди др.
проблем космонавтики. Так, в условиях H. непригодны приборы и устройства, в
к-рых используются физ. маятники или свободная подача жидкости и т. п. Учёт
H. становится особенно существенным для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные
жидкостью, что, напр., имеет место в двигат. установках с жид-костно-реактивными
двигателями, рассчитанных на многократное включение при космич. полёте. Возникает
и ряд др. техн. проблем.
Особенно важно учитывать своеобразие условий
H. при полёте обитаемых космич. кораблей, т. к. условия жизни человека при H.
существенно отличаются от привычных, "земных" условий, что вызывает
изменения ряда его жизненных функций. Однако предварит. тренировка и профилактические
меры позволяют человеку долгое время пребывать и успешно работать в условиях
H.
Предполагается также, что при очень длит. полётах
на орбитальных (околоземных) или межпланетных станциях можно создавать искусств.
"тяжесть", располагая, напр., рабочие помещения в кабинах, вращающихся
вокруг центр. части станции. Тела в этих кабинах будут прижиматься к боковой
поверхности кабины, к-рая будет играть роль "пола", а реакция этого
"пола", приложенная к телам, и создаст искусств. "тяжесть".
Невесомость - точнее, микрогравитация, - это особое состояние за пределами земной (или какой-либо другой) гравитации, когда она практически не ощущается, и тело космонавта находится в состоянии непрекращаемого свободного падения. Невесомость можно испытать, например, в свободно падающем лифте или самолете (такие самолеты-акробаты используются для тренировок в искусственной невесомости), или на орбите Земли, на Международной космической станции. Длительное воздействие невесомости пагубно влияет на физическое состояние космонавтов, поэтому ученые изучают, как снизить уровень потери мышечной и костной массы в условиях микрогравитации, чтобы обезопасить будущих путешественников на Марс и дальше, за пределы Земли. Буквально полгода, проведенные на орбите, вызывают необратимые изменения в организме человека.
Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к проблемам со здоровьем - это факт. Например, людям уже известно, что при полете на астронавты смогут испытать широкий спектр медицинских проблем, в числе которых есть атрофия мышц, недостаток кальция, ухудшение работы сердечно-легочной системы, нарушение зрения и даже ослабление иммунитета. Исследователи из мичиганской Больницы Генри Форда дополнили этот список еще одной проблемой - было доказано, что невесомость разрушает суставы, которые не восстанавливаются даже после возвращения на Землю.
Весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре.
Невесомость - нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно от массивных объектов, которые могут притягивать его.
Международная Космическая Станция находится на расстоянии 350 км от Земли. На таком удалении ускорение свободного падения (g) составляет 8,8 м/с2, что всего на 10% меньше, чем на поверхности планеты.
На практике редко встретишь - гравитационное воздействие существует всегда. На космонавтов, находящихся на МКС, по-прежнему действует Земля, однако невесомость там присутствует.
Другой случай невесомости возникает, если сила тяжести компенсирована другими силами. Например, МКС подвержена силе тяжести, незначительно уменьшенной за счет расстояния, но также станция движется по круговой орбите с первой космической скоростью и центробежная сила компенсирует тяготение.
Невесомость на Земле
Явление невесомости возможно и на Земле. Под воздействием ускорения вес тела может уменьшаться, и даже становится отрицательным. Классический пример, который приводят физики - падающий лифт.
Если лифт движется вниз с ускорением, то давление на пол лифта, а, следовательно, и вес, будет уменьшатся. Причем если ускорение равно ускорению свободного падения, то есть лифт падает, вес тел станет нулевым.
Отрицательный вес наблюдается, если ускорение движения лифта превысит ускорение свободного падения - тела находящиеся внутри «прилипнут» к потолку кабины.
Этот эффект широко применяется для симуляции невесомости при подготовке космонавтов. Самолет, оборудованный камерой для тренировок, поднимается на значительную высоту. После чего пикирует вниз по баллистической траектории, по сути, у поверхности земли машина выравнивается. При пикировании с 11 тысяч метров можно получить 40 секунд невесомости, которыми и пользуются для тренировок.
Существует заблуждение, что подобные выполняют сложные фигуры, наподобие «петли Нестерова», для получения невесомости. На самом деле для тренировок используются доработанные серийные пассажирские самолеты, которые неспособны на сложные маневры.
Физическое выражение
Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий самолет, имеет следующий вид:
где m – масса тела,
g – ускорение свободного падения,
a – ускорение опоры.
При равенстве g и a, P=0, то есть достигается невесомость.
Наверное, каждый из нас за свою жизнь испытывал чувство невесомости. Давайте разберем, что такое невесомость, за счет чего оно достигается и где его можно прочувствовать.
При ответе на вопрос, что такое невесомость, многие с вспомнят про силу притяжения и возможность свободного полета, хождения по потолку, летающим предметам и космонавтам, которые чаще всех испытывают это чувство.
Для обсуждения понятия невесомости предлагаю обсудить научную часть вопроса и физического явления. На планете Земля у предметов и живых существ действует сила притяжения (сила тяжести). Таким образом, если предмет перемещается или находится в состоянии покоя, возникает давление силы тяжести предмета на поверхность.
Невесомость - это состояние тела, при котором сила взаимодействия с поверхностью существенна мала и не происходит давление друг на друга. Часто при определении невесомости используют понятие гравитации или микрогравитации.
Интересные факты о невесомости и гравитации
Что мы с Вами знаем о невесомости, как можем охарактеризовать это явление?
Неудобства.
В настоящее время явление невесомости полностью изучено и не вызывает большого количества вопросов. У космонавтов до полета длительный период проходит подготовка организма к невесомости, и несмотря на это, отсутствие силы тяжести приводит организм в достаточно большой стресс.
Основное нарушение при явлении невесомости наблюдается в изменении давления жидкости в организме, особенно крови. Помимо этого, отсутствует привычная нагрузка на опорно-двигательный аппарат, что вызывает дискомфорт. После доставки космонавта на космическую станцию, его организм некоторое время проходит период адаптации, несмотря на долгие месяцы подготовки перед полетом.
Влияние невесомости на организм
Обычно период адаптации организма проходит в течение 7-10 дней. В результате космонавты из-за отсутствия силы тяжести теряют в весе, снижается работоспособность, а также повышается общая утомляемость организма. Также может измениться соотношение элементов в тканях. После длительного пребывания в космосе человек может стать на несколько сантиметров вследствие невесомости. В результате может произойти защемления нервов, появиться различные боли мышечного и суставного характера.
Питание.
На сегодняшний день питание у космонавтов очень разнообразное. Рацион питания составляют сублимированные продукты, упакованные в тубы из алюминия. Практически все питание находится в виде пюре. Рацион и тару продумывают таким образом, чтобы избежать крошек и их попадания в глаза. Печенья делают небольшими, чтобы не кусать, и сверху покрывают оболочкой.
Способы испытать чувство невесомости в теории и на практике
Чувство невесомости полноценно можно испытать в космосе, но для этого нужно выбрать эту профессию и долгие годы готовится. Однако ощущение невесомости можно испытать и на Земле, хоть и незначительное.
На Земле невесомость можно смоделировать следующим способом. В экспериментальных целях и для тренировки космонавтом создавали состояние невесомости до 40 секунд с помощью специального самолета, который имел воздействие только силы земного притяжения. Траектория движения самолета проходит по параболе. Такие ощущения сейчас можно испытать и на специальных тренажерах, в парках аттракционов. Суть заключается в том, что резко набирается высота и также резко потом сбрасывается, вызывая ощущение свободного падения, невесомости.
Подобные ощущения мы испытываем на рейсах гражданской авиации в период посадки самолета, а также в автомобиле, при резком перепаде движения сверху вниз.
Помимо этого, схожие ощущения можно получить, прыгая на батуте, находясь в воздухе от прыжка непосредственно перед падением вниз, в современных скоростных лифтах при резкой остановке на высоком этаже.
Сейчас существуют специальные симуляторы невесомости, в которых Вы можете испытать это ощущение на борту специально оснащенного для этих нужд самолета ИЛ - 76. Это специальная лаборатория, предназначенная для испытания перегрузок, в том числе космонавтами перед полетами в космос. Во время полета, резко набирается высота и на высоте 8-9 км пилот выключает мощность двигателей, тем самым, позволяя самолету двигаться по инерции. Как раз, когда сила тяжести становится равна силе инерции, достигается невесомость. Во время полета группа испытывает на борту самолета несколько таких ощущений невесомости. Стоимость такого полета индивидуальна и может быть совмещена с экскурсией, космическим питанием и многим другим.
Заключение
Явление невесомости, в основном, можно испытать находясь в космосе, но также мы периодически испытываем его в самолете, на аттракционе, в лифте и даже на батуте, хоть и длится оно буквально секунды.