Перед вами опора. Над ней удерживается какое-то тело.
Затем оно отпускается и под действием силы тяжести свободно падает.
До тех пор пока тело не соприкоснулось с поверхностью, на него продолжает действовать только сила тяжести. Она приложена к центру тяжести.
Когда тело соприкоснулось с поверхностью опоры, падение прекратилось. Иначе говоря, его скорость перестала изменяться. При этом, на него всё также действует сила тяжести. Тело остановилось, так как на него начала действовать сила упругости, вызванная деформацией опоры.
Рассмотрим это на молекулярном уровне.
Когда тело соприкоснулось с поверхностью, слои молекул опоры под ним просели. Если опора твёрдая, то невооружённым глазом её проседание не заметно, поэтому, в данном примере, проседание для наглядности преувеличено.
При проседании, молекулы опоры сближаются друг с другом. А как только расстояние между молекулами становится слишком маленьким, на них начинают действовать силы взаимного отталкивания.
Молекулы опоры, отталкиваясь от соседних молекул, стремятся вернуть первоначальную форму опоры. Это порождает силу упругости.
При этом молекулы опоры, стремясь вернуться в исходное положение, отталкивают молекулы тела. Расстояния между молекулами тела тоже уменьшаются настолько, что между ними также начинают действовать силы отталкивания. Иначе говоря, тело тоже деформируется под действием силы упругости опоры. Оно также стремится вернуть первоначальную форму. То есть его деформация порождает ответную силу, которая воздействует на опору.
Теперь изобразим это без погружения на молекулярный уровень.
На тело, стоящее на опоре, действует сила тяжести. Со стороны опоры на тело действует сила упругости. Поскольку оно неподвижно, сила упругости по величине такая же, как сила тяжести, но направлена в противоположную сторону. Так как в теле возникла деформация, оно тоже действует на опору силой упругости. Причём эта сила по величине равна силе упругости опоры, но направлена в противоположную сторону. И называется эта сила вес тела. Обозначается она буквой P со стрелочкой наверху.
Итак, вес возникает вследствие деформации тела. Это значит, что вес является разновидностью силы упругости.
Теперь рассмотрим тело на подвесе.
Пусть оно висит на нити. Её верхняя часть закреплена. На тело действует сила тяжести, но оно не падает, а остаётся неподвижным. Значит, силу тяжести компенсирует другая сила, равная по величине и направленная в противоположную сторону. Это сила упругости нити, которая приложена к телу.
Если нить тянет тело вверх, то тело тянет нить вниз. При этом тело действует на нить с силой, равной по величине силе упругости и направленной в противоположную сторону.
Так же, как в случае с телом на опоре, эта сила называется вес.
В итоге, мы пришли к следующему определению. Вес тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес.
Вес возникает вследствие притяжения к Земле, к другой планете или к другим телам. Также он возникает вследствие центробежной силы и силы инерции, но в этом классе подробно на этом останавливаться не будем.
Теперь научимся рассчитывать величину веса.
Перед вами тело, стоящее на опоре.
На него действуют всего 2 силы. Сила тяжести тянет его вниз, а сила упругости вверх.
Тело неподвижно, иначе говоря, оно не меняет своей скорости. Значит, обе силы уравновешивают друг друга. А это возможно только когда их значения равны.
Так и запишем, Fупр = Fтяж.
Напомню, что это силы, которые действуют только на тело.
А теперь рассмотрим силы, с которыми тело и опора действуют друг на друга. То есть рассмотрим силы их взаимодействия.
Сила, с которой опора действует на тело, то есть сила упругости, равна силе, с которой тело действует на опору, то есть весу тела.
Запишем Fупр = P.
Если вес равен силе упругости, а сила упругости равна силе тяжести, значит, вес тоже равен силе тяжести.
Сила тяжести равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.
Отсюда следует, что вес также равен произведению массы тела на ускорение свободного падения.
Мы получили формулу для расчёта веса.
Но эта формула верна, только если скорость тела остаётся неизменной. В данном случае, скорость нулевая и она не меняется, поэтому формула будет работать.
Если скорость тела меняется, то сила упругости не будет равна силе тяжести. А значит и вес также не будет равен силе тяжести.
Всё что сказано про тело, стоящее на опоре, применимо и к телу на подвесе.
На него также действует сила упругости подвеса, равная по величине силе тяжести. И так как тело неподвижно, то на подвес действует сила, равная по величине силе упругости. И мы приходим всё к той же формуле, которая применима только, когда скорость тела не меняется. Напомню, что когда тело неподвижно – оно тоже обладает скоростью. Просто её значение равно нулю.
Посмотрим, что будет происходить с весом тела при изменении его скорости.
Подвесим к пружинному динамометру какой-нибудь груз. Cтрелка прибора показывает вес, равный 6 ньютонам. Соответственно сила тяжести также равна 6 Ньютонам.
Если резко опустить прибор, стрелка, на мгновение переместится, вниз. В середине рисунка показан момент времени, когда происходило ускорение опускания динамометра.
Сила тяжести при этом, разумеется, не изменялась. Получается, изменился только вес. Он стал меньше.
Как только скорость опускания перестает меняться, стрелка вновь возвращается к исходному значению, то есть к 6 Ньютонам.
Теперь резко поднимем динамометр и рассмотрим его в моменте ускорения поднятия. Стрелка поднялась. Это значит, что вес увеличился.
Резкое опускание и поднятие – это и есть изменение скорости тела. Мы убедились, что при этом вес не был равен силе тяжести, а, значит, наша формула не работала.
Итак, вес и сила тяжести – это разные силы. Их значения лишь совпадают при определённых условиях.
У этих сил есть следующие отличия:
- Они приложены к разным телам. Вес приложен к опоре или подвесу. Сила тяжести приложена к телу.
- Эти силы имеют разную физическую природу. Вес – разновидность силы упругости. Сила тяжести – разновидность силы всемирного тяготения.
- Вес и сила тяжести могут отличаться как по величине, так и по направлению.
В некоторых случаях вес может быть направлен даже вверх. Например, когда мотоциклист проезжает круг внутри мёртвой петли, он от неё не отрывается. Следовательно, он на неё давит с какой-то силой. Называется эта сила весом. И в верхней точке петли она направлена вверх.
А сила тяжести всегда направлена вниз.
И, напоследок, рассмотрим случай, когда мотоциклист подпрыгнул вверх с помощью трамплина.
Пока он не приземлится, у него отсутствует вес. Ведь он ни на что не опирается и ни на чём не подвешен. А вес – это по определению сила, действующая на опору или подвес. В этом случае действовать не на что.