virtulab.net Статьи Физика Невесомость и перегрузки

Виртуальная лаборатория ВиртуЛаб

Многие явления и опыты провести в условиях учебного заведения очень сложно или невыполнимо.

Https://mebstom.ru

https://mebstom.ru характеристики Кресла для забора крови.

mebstom.ru

Невесомость и перегрузки

1. Как вы уже знаете, силу, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле, действует на опору или подвес, называют весом тела P.

Вес тела приложен к опоре или подвесу; в отличие от него сила тяжести приложена к телу. Вес и сила тяжести имеют не только разные точки приложения, но и разную природу: сила тяжести — гравитационная сила, а вес — сила упругости.

Из курса физики 7 класса вы также знаете, что если тело, подвешенное на нити или помещенное на опору, покоится или движется равномерно и прямолинейно, то его вес по модулю равен силе тяжести:

Pmg.

2. Предположим теперь, что тело вместе с опорой или подвесом движется относительно Земли с ускорением. Будут ли в этом случае равны вес тела и сила тяжести?

Рассмотрим движение человека в лифте. Пусть лифт имеет ускорение a, направленное вниз (рис. 52). В инерциальной системе отсчета, связанной с Землей, на человека действуют: сила тяжести, направленная вниз, и сила упругости со стороны пола лифта, направленная вверх. Силу упругости в этом случае называют силой реакции опоры и обозначают буквой N. Равнодействующая этих сил сообщает человеку ускорение.

Пользуясь вторым законом Ньютона, можно записать в векторной форме:

Fma,
FтяжNma.

Направим ось Y вертикально вниз и запишем это уравнение в проекциях на эту ось, учитывая, что Fтяжmg, проекции ускорения и силы тяжести на ось Y положительны, а проекция силы реакции опоры отрицательна. Получим:

mg – N = ma.

Отсюда:

Nmg – mam(g – a).

По третьему закону Ньютона вес тела по модулю равен силе реакции опоры:

PN.

Тогда

Pm(g – a).

Из полученной формулы видно, что вес тела меньше силы тяжести. Таким образом, если тело вместе с опорой или подвесом движется вниз с ускорением, которое направлено так же, как и ускорение свободного падения, то его вес меньше силы тяжести, т. е. меньше веса покоящегося тела.

Уменьшение веса вы испытываете, находясь в лифте, в момент начала его движения вниз.

Если ускорение тела равно ускорению свободного падения ag, то вес тела P = 0. Такое состояние называется состоянием невесомости. В состоянии невесомости пребывают космонавты в космическом корабле во время полета, поскольку они движутся вокруг Земли с центростремительным ускорением, равным ускорению свободного падения.

Но не только космонавты испытывают состояние невесомости. В таком состоянии может находиться бегун в короткие промежутки времени, когда обе ноги оторваны от земли; прыгун с трамплина во время полета.

3. Рассмотрим еще раз движение лифта и стоящего в нем человека. Но только теперь лифт имеет ускорение a, направленное вверх (рис. 53).

Пользуясь вторым законом Ньютона, можно записать:

Fma,
FтяжN ma.

Направив ось Y вертикально вниз, запишем это уравнение в проекциях на эту ось:

mg – N = –maNmgmaNm(ga).

Поскольку PN, то

Pm(ga).

Из формулы видно, что вес в этом случае больше силы тяжести. Таким образом, если тело вместе с опорой или подвесом движется с ускорением, направленным противоположно ускорению свободного падения, то его вес больше силы тяжести, т. е. больше веса покоящегося тела.

Увеличение веса тела, вызванное движением с ускорением, называют перегрузкой.

Перегрузку вы испытываете в лифте, в момент начала его движения вверх. Огромные перегрузки испытывают космонавты и пилоты реактивных самолетов при взлете и посадке; летчики, выполняющие на самолете фигуру высшего пилотажа «мертвая петля» в нижней ее точке. Для того чтобы уменьшить давление на скелет космонавтов при взлете, сделаны специальные кресла, в которых космонавты находятся в полулежачем положении. При этом сила давления, которая действует на космонавта, распределяется на б€ольшую площадь, и давление на скелет становится меньше, чем в том случае, когда космонавт находится в сидячем положении.

4. Пример решения задачи

Каков вес летчика массой 70 кг, выполняющего «мертвую петлю», в нижней и верхней точках траектории, если радиус петли 200 м, а скорость самолета при прохождении петли 100 м/с?

 

Дано:

Решение

m = 70 кг

R = 200 м

v = 100 м/с

g = 10 м/с2

На летчика в нижней и в верхней точках траектории действуют сила тяжести Fтяж и сила реакции со стороны кресла N (рис. 54). Сила реакции опоры равна по модулю весу летчика: PN.

В соответствии со вторым законом Ньютона можно записать:

NFтяж=ma.

P1 ?

P2 ?

Для нижней точки траектории это уравнение в проекциях на ось Y (рис. 54, а) будет иметь вид:

N1Fтяж = –ma, или N1 – mg ma.

Следовательно,

P1N1ma mg m(ag).

Для верхней точки траектории (рис. 54, б) можно записать:

N1Fтяж ma.

Отсюда

N1ma – mg.

Следовательно,

P2N1m(a – g).

Поскольку a = , то

P1mgP2 = – g.

P1 = 70 кг• + 10 м/с2 = 4200 Н;

P2 = 70 кг• – 10 м/с2 = 2800 Н.

Если сила тяжести, действующая на летчика, Fтяж = 70 кг • •10 м/с2 = 700 Н, то его вес в нижней точке траектории в 6 раз больше, чем сила тяжести: = = 6. Говорят, что летчик испытывает шестикратную перегрузку.

В верхней точке траектории летчик испытывает четырехкратную перегрузку: = = 4.

Ответ: P1 = 4200 Н; P2 = 2800 Н.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют весом тела? Какова природа веса тела?

2. В каком случае вес тела по модулю равен силе тяжести?

3. Как изменяется вес тела при его движении с ускорением, направленным вверх; вниз?

4. Какое состояние называют состоянием невесомости? Когда оно наступает?

5. Какое состояние называют перегрузкой? Когда испытывают перегрузки?

Задание 15

1. Лифт начинает движение вниз с ускорением 2 м/с2. Чему равен вес стоящего в этом лифте человека массой 60 кг?

2. С какой силой автомобиль массой 1 т давит на середину выпуклого моста, имеющего радиус кривизны 30 м? Скорость автомобиля 72 км/ч.

3. Камень массой 400 г вращают равномерно в вертикальной плоскости на веревке длиной 1 м со скоростью 2 м/с (рис. 55). Чему равна сила натяжения веревки при прохождении камнем верхней и нижней точек траектории?

 

 



+ Физика

Виртуальные лабораторные работы по Физике

добавить на Яндекс