при каком ускорении наступает состояние невесомости тела если тело движется в поле тяжести земли
Невесомость
В предыдущем пункте была получена формула для веса тела, находящегося на опоре, движущейся с ускорением 
, направленным вниз 1 :
1 Мы считаем, что модуль ускорения тела не превышает ускорения свободного падения.
Из этой формулы следует, что, когда ускорение опоры приближается к ускорению свободного падения g, вес тела стремится к нулю.
При а = g тело совсем перестаёт давить на опору. В этот момент вес тела становится равным нулю. Такое состояние называют невесомостью.
Итак, тело находится в состоянии невесомости, когда оно под действием силы тяжести движется с ускорением свободного падения 
. При этом оно не давит на опору и не растягивает подвес, поэтому их можно вообще убрать.
Однако находящееся в состоянии невесомости тело не обязательно должно падать вниз! Вспомним, что ускорение брошенного произвольным образом тела во время всего полёта равно ускорению свободного падения (если можно пренебречь сопротивлением воздуха). Следовательно, брошенное тело находится в состоянии невесомости во время всего полёта.
7. Шарик брошен вертикально вверх. В какие моменты он находится в состоянии невесомости: при подъёме, в верхней точке траектории или когда он падает вниз?
Чтобы испытать кратковременное состояние невесомости, достаточно просто подпрыгнуть (рис. 16.3).
Длительное состояние невесомости испытывают космонавты при выключенных двигателях космического корабля. При этом как корабль, так и космонавты находятся под действием только силы тяжести, то есть движутся с ускорением свободного падения.
Нальём воду в пластиковую бутылку с отверстием в дне. Вода будет вытекать из отверстия. Но если бросить бутылку (в любом направлении), то во время полёта бутылки вода из неё не выливается! Дело в том, что бутылка и вода в ней находятся в невесомости: вода не давит на дно бутылки и поэтому не выливается.
8. Шарик скатывается по «мёртвой петле» радиусом 20 см (рис. 16.4), не отрываясь от неё. Чему равна скорость шарика в верхней точке окружности, если в этой точке он находится в состоянии невесомости?
П о д с к а з к а. Если шарик находится в состоянии невесомости, центростремительное ускорение ему сообщает только сила тяжести.
Сила тяжести. Вес, невесомость, перегрузки
Урок 19. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Сила тяжести. Вес, невесомость, перегрузки»
Вы уже знакомы с понятием силы тяжести — это сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности (или вблизи этой поверхности). Именно под действием силы тяжести, тела могут находиться в свободном падении. Находясь в свободном падении можно ясно ощутить состояние невесомости, то есть, отсутствие веса. Рассмотрим эти явления более подробно.
Еще в седьмом классе вы познакомились с весом тела. Вес тела — это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес. Надо сказать, что вес — это частный случай силы упругости. Рассмотрим простой пример. В помещении вы видите сидящего человека, горшки с растениями, часы, висящие на стене и так далее. На все эти тела, несомненно, действует сила тяжести.
Несмотря на это, все тела находятся в состоянии покоя. Дело в том, что опора, по третьему закону Ньютона, действует, например, на горшок, с той же силой, что и горшок давит на неё. Эта сила называется реакцией опоры. Итак, мы выяснили что, исходя из третьего закона Ньютона, реакция опоры равна по модулю весу тела. Поскольку тело покоится, равнодействующая сила равна нулю. Следовательно, реакция опоры должна уравновешивать силу тяжести (в противном случае, тело бы падало по направлению к центру Земли).
Таким образом, если тело покоится на горизонтальной поверхности, или двигается равномерно и прямолинейно, то вес тела равен силе тяжести.
А теперь, давайте рассмотрим, что произойдет, если опора будет двигаться с ускорением. Классический пример подобной ситуации — это движение лифта. При начальном движении лифта вверх, ускорение, конечно, направлено вверх.
Применим второй закон Ньютона:
Из этого уравнения, мы видим, что вес тела увеличивается при ускоренном движении опоры вверх. Это явление называется перегрузкой. Действительно, при рывке лифта вверх, мы чувствуем некое давление.
Нетрудно догадаться, что при ускоренном движении вниз, происходит противоположное явление: вес тела уменьшается.
В этом можно убедиться, если вновь применить второй закон Ньютона:
Как видно, из уравнения, при движении вниз с ускорением свободного падения, вес тела обратится в ноль: 
Это явление называется невесомостью. И правда, при рывке лифта вниз, мы ощущаем некую легкость.
Так, космонавты, находящиеся на космической станции, испытывают состояние невесомости. Они, фактически находятся в свободном падении, но падают, как бы, вокруг Земли. Дело, конечно, в их орбитальной скорости, достаточной для того, чтобы находиться на околоземной орбите.
Приведем пару примеров. Допустим, вы поставите стакан с водой на поднос. Очевидно, что стакан будет действовать на поднос с силой: Fт = mg. Но, как вы знаете, если вы отпустите поднос, то и стакан, и поднос будут находиться в свободном падении.
При этом, стакан не будет оказывать никакого воздействия на поднос, то есть не будет обладать весом. Точно также, мотоциклист, едущий с постоянной скоростью, будет действовать на сиденье мотоцикла силой тяжести. Но после прыжка на трамплине, и мотоциклист, и мотоцикл будут находиться в свободном падении.
Таким образом, вес мотоциклиста будет равен нулю, до тех пор, пока он не приземлится.
Примером перегрузки может быть выход пилота из пике.
В нижней точке, его центростремительное ускорение будет направлено вверх, что приведет увеличению веса пилота. Пилоты истребителей испытывают перегрузки до 30g. Перегрузки часто измеряются в единицах измерения g. То есть, например, перегрузка 5g означает, что вес пилота увеличился в 6 раз (в состоянии покоя наша перегрузка равна g). Иногда перегрузку обозначают буквой n, и она является безразмерной величиной, равной отношению ускорения движения к ускорению свободного падения.
Таким образом, вес тела при перегрузках можно вычислить по формуле: 
.
Для примера вычислим перегрузку, которую испытывает пилот в нижней точке пике в вертикальной плоскости, если радиус кривизны траектории полёта равен 400 м, а скорость самолёта равна 1080 км/ч.
Невесомость в динамике.
Невесомость – состояние, в котором находится материальное тело, которое свободно движется в поле тяготения Земли (или другого небесного тела) под действием только сил тяготения. В таком состоянии давление на тело в целом и на отдельные его части отсутствует.
Как достичь условий невесомости.
Рассмотрим случай, когда опора движется с телом с ускорением а, направление которого совпадает с направлением ускорения свободного падения (случай 1). В таком случае вес тела (определяется из векторного уравнения 
) в проекции на направленную вверх вертикальную ось OZ, равен:
Когда g = a, P = 0, наступает невесомость.
Состояние невесомости можно наблюдать в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения модуля скорости их движения. За пределами земной атмосферы после выключения реактивных двигателей (сила тяги двигателей становится равной нулю) на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и находящиеся в нем тела движутся с одинаковым ускорением, вследствие чего на корабле наблюдается явление невесомости.
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Тема. Вес тела. Невесомость. Перегрузки
Цель урока: дать учащимся представление о понятие веса тела, невесомость, перегрузки
Тип урока: изучение нового материала
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Вследствие земного притяжения все тела сжимают или прогибают сопротивления (рис. а) или растягивает подвес (рис. б).
Для характеристики такого действия вводится понятие веса тела.
Ø Весом тела называют силу, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес.
Выясним причину возникновения веса тела. Для этого рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной опоре.
На это тело действуют две силы: сила тяжести 
т = m 
, и сила реакции опоры 
. Поскольку эти силы приложены к разным точкам этого тела, то в результате действия этих сил тело деформируется (сжимается). В результате возникает сила упругости 
, которая действует на опору.
Силы и — это силы взаимодействия тела и опоры, поэтому, согласно третьему закону Ньютона, они одинаковы по модулю и противоположны по направлению:
Если тело и опора неподвижны относительно Земли (или совместно движущихся равномерно и прямолинейно), то, согласно второму закону Ньютона, + m = 0.
Следовательно, = m .
Во-вторых, сила тяжести и вес имеют разную физическую природу: сила тяжести является частным случаем силы всемирного тяготения, а вес обычно является силой упругости.
В-третьих, сила тяжести равна весу тела лишь в том случае, если тело находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью.
2. Вес тела, движущегося с ускорением
Теперь рассмотрим случай, когда тело, которое находится на опоре, движущейся с ускорением, направленным вверх.
Если опора, на которой лежит брусок начнет двигаться с ускорением 
, направленным вертикально вверх, то силы m и уже не зрівноважуватимуть друг друга, потому что их равнодействующая m + будет предоставлять бруску ускорение .
Согласно второму закону Ньютона, m + = m . Спроектировав это выражение на ось Оу, получаем:
Ø Если ускорение тела направлено вверх, то вес тела больше силы тяжести.
Рассуждая аналогично, можно показать вес тела, если ускорение тела направлено вниз:
Ø Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести.
Необходимо обратить внимание учащихся на то, что вес тела зависит только от ускорения и не зависит от скорости.
Ø Состояние, при котором вес тела равен нулю, называется состоянием невесомости.
Следует отметить, что в состоянии невесомости вес тела равен нулю, но сила тяжести равна m .
Характерным свойством состояния невесомости является отсутствие «внутренних напряжений» в теле, например, отсутствие давления одних органов на другие в теле человека.
Длительного состояния невесомости испытывают космонавты в космическом корабле, когда его двигатели выключены. При этом космонавты вместе с космическим кораблем движутся под действием только сил тяготения (со стороны Земли, Луны или других космических тел).
Во время старта космического корабля космонавты испытывают перегрузок. Этот термин означает, что вес космонавта по модулю становится больше силы тяжести. Выясним, почему это происходит.
После включения ракетного двигателя, когда ракета начинает разгоняться, ее движение и движение космонавта осуществляются с ускорением, направленным вертикально вверх. При этом вес космонавта будет больше силы тяжести:
Ø Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой:
Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что тело испытывает перегрузки. Перегрузки испытывают пассажиры лифтов, космонавты во время взлета на ракете в космос, летчики во время выхода из пикирования и т.д. Вследствие перегрузки увеличивается не только вес человека в целом, но и каждого ее органа. Здоровый человек может без вреда для своего здоровья выдерживать кратковременные трехкратные перегрузки, то есть увеличение веса втрое. Космонавтам же во время старта и посадки космического корабля приходится выдерживать многократные перегрузки.
Вопрос к ученикам во время изложения нового материала
1. При каких условиях вес тела равен по модулю силе тяжести, действующей на это тело?
2. Имеет вес гиря, висящая на нитке? Чему будет равен вес, если нить перерезать?
3. Есть ли вес у дерева, что растет во дворе?
4. Камень бросили вертикально вверх. В какие моменты полета он находится в состоянии невесомости, если можно пренебречь сопротивлением воздуха? Изменится ли ответ, если бросить камень под углом к горизонту?
5. Почему необходимо учитывать перегрузки?
6. Что общего в падении тел на Землю, вращении Луны вокруг Земли, приливах и відпливах?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1). Тренируемся решать задачи
1. В лифте установили динамометр, на котором подвесили тело массой 1 кг. Что покажет динамометр, если:
а) лифт движется равномерно;
б) лифт поднимается вверх с ускорением 5 м/с2;
в) лифт опускается вниз с ускорением 5 м/с2?
2. Самолет делает «мертвую петлю», описывая в вертикальной плоскости круг радиусом 250 м. Во сколько раз вес летчика в нижней части траектории больше силы тяжести, если скорость самолета 100 м/с?
3. Ученик утверждает, что вес человека, находящегося в лифте, обязательно увеличивается, когда лифт движется вверх, и уменьшается, когда лифт движется вниз. Согласны ли вы с этим утверждением?
Утверждение неверное: вес зависит не от скорости лифта, а от его ускорения.
4. Космический корабль сразу же после старта движется вертикально вверх с ускорением 40 м/с2. С какой силой космонавт массой 70 кг давит на кресло кабины? Чему равна в этом случае коэффициент перегрузки?
2). Контрольные вопросы
1. Приведите примеры движений, когда вес тела равен силе тяжести, действующей на это тело.
2. Приведите примеры движений, при которых вес тела меньше силы тяжести, действующей на него (больше силы тяжести, которая действует на него).
3. Исчезает сила притяжения тела к Земле при переходе тела в состояние невесомости?
4. Когда возникают перегрузки?
5. Зависит ли вес тела от его местонахождения?
Что мы узнали на уроке
• Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле) давит на опору или растягивает подвес.
• Если ускорение тела направлено вверх, то вес тела больше силы тяжести:
• Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести:
• Состояние, при котором вес тела равен нулю, называется состоянием невесомости.
• Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой :
10 класс
§ 19. Вес тела. Невесомость. Перегрузки
Вес тела.
Если тело лежит на опоре, то вследствие притяжения Землёй оно давит на опору. По этой же причине подвешенное тело растягивает подвес.
Силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес, называют весом тела.
Рассмотрим случай, когда тело и опора неподвижны или движутся без ускорения.
Пусть тело А находится на горизонтальной опоре В (рис. 3.42).
Если тело и опора неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно (т. е. без ускорения), то, согласно второму закону Ньютона,
+m = 0.
Таким образом, если ускорение = 0, то вес тела равен по модулю силе тяжести. Однако следует иметь в виду, что сила тяжести приложена к телу, а вес — к опоре или подвесу.
Природа силы тяжести и веса тоже различна. Сила тяжести является результатом взаимодействия тела и Земли (сила тяготения), а вес появляется в результате взаимодействия тела А и опоры В. Опора В и тело А при этом деформируются, что приводит к появлению сил упругости. Поэтому вес тела (как и сила реакции опоры) является одним из видов силы упругости.
Рассмотрим теперь случай, когда тело и подвес (опора) движутся относительно Земли с ускорением.
Пусть тело находится в кабине лифта, движущегося с ускорением (рис. 3.43, а, б).
Согласно второму закону Ньютона
где N — сила реакции опоры (пола лифта); m — масса тела.
Направим координатную ось OY системы отсчёта, связанной с Землёй, вертикально вниз. Тогда проекция веса тела на эту ось будет равна
Векторы и сонаправлены с осью координат OY, поэтому Py = P и gy = g. Если ускорение направлено вниз (см. рис. 3.43, а), то αy = α, и равенство (3) примет следующий вид:
1 Часто перегрузку указывают в единицах ускорения свободного падения g. Перегрузка в 1g численно равна весу тела, покоящемуся в поле тяжести Земли. Перегрузку в 0g испытывает тело, находящееся в состоянии невесомости.
Вопросы:
1. Какую силу называют весом тела?
2. Как соотносятся между собой модуль веса тела и модуль силы тяжести, действующей на тело в случае, если:
а) тело и опора неподвижны или движутся без ускорения;
б) опора (или подвес) совершает ускоренное движение?
Вопросы для обсуждения:
1. Можно ли на искусственном спутнике Земли определить массу тела с помощью рычажных весов и гирь?
2. Человек с гирей массой 16 кг в руках прыгает со стула. Сколько весит гиря во время падения?
3. На каком этапе движения космического корабля (подъём, движение по орбите, спуск) космонавт ощущает состояние невесомости?
Пример решения задачи
Лифт равноускоренно опускается и за первые 10 с проходит путь, равный 10 м. На сколько уменьшится вес пассажира массой 70 кг, находящегося в этом лифте? За какое время лифт пройдёт эти же первые 10 м пути, если будет двигаться так, что пассажир будет находиться в состоянии невесомости?
В проекции на координатную ось OY уравнение движения примет вид:
Найдём ускорение лифта с помощью кинематического уравнения:
По третьему закону Ньютона:
Найдём изменение веса пассажира:
Подставляя числовые данные, получим:
В случае невесомости P = 0 ⇒ α = g.
При этом лифт должен двигаться с ускорением g, направленным вниз. Определим время t2, за которое лифт пройдёт первые 10 м пути на основе кинематичского уравнения:
Ответ: ΔP = 14 H, t2 ≈ 1.43 с.
Упражнения:
1. Девушка массой 50 кг стоит на платформе. Чему равен вес девушки, если платформа движется:
2. Груз массой 150 кг лежит на дне кабины лифта. Определите модуль и направление ускорения лифта, если груз давит на дно кабины с силой, равной: