Вага тіла. Невагомість. Перевантаження

1-й семестр

МЕХАНІКА

2. Динаміка

Урок 8/28

Тема. Вага тіла. Невагомість. Перевантаження

Мета уроку: дати учням уявлення про поняття ваги тіла, невагомість, перевантаження

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Вага тіла

Унаслідок земного тяжіння усі тіла стискають або прогинають опору (рис. а) або розтягують підвіс (рис. б).

Для характеристики такої дії вводиться

O Вагою тіла називають силу, з якою тіло, унаслідок його притягання до Землі, тисне на опору або розтягує підвіс.

З’ясуємо причину виникнення ваги тіла. Для цього розглянемо тіло, що лежить на горизонтальній опорі.

На це тіло діють дві сили: сила тяжіння Т = m, і сила реакції опори . Оскільки ці сили прикладені до різних точок цього тіла, то внаслідок дії цих сил тіло деформується (стискається). У результаті виникає сила пружності , яка й діє на опору.

Сили і – це сили взаємодії тіла й опори, тому, відповідно до третього закону Ньютона, вони однакові за модулем і протилежні за напрямом:

Якщо тіло й опора нерухомі відносно Землі (або спільно рухаються рівномірно й прямолінійно), то, відповідно до другого закону Ньютона, + m = 0.

Отже, = m.

З останньої рівності випливає, що вага тіла в стані спокою дорівнює силі тяжіння, що діє на це тіло. Звідси помилково можна зробити висновок про те, що вага й сила тяжіння – це та сама сила. Розглянемо, чим відрізняються ці сили.

По-перше, вага тіла й сила тяжіння, що діють на це тіло, прикладені до різних тіл: сила тяжіння прикладена до тіла, а вага – до опори або підвісу.

По-друге, сила тяжіння й вага мають різну фізичну природу: сила тяжіння є окремим випадком сили всесвітнього тяжіння, а вага зазвичай є силою пружності.

По-третє, сила тяжіння дорівнює вазі тіла лише в тому випадку, якщо тіло перебуває в стані спокою або рухається з постійною швидкістю.

2. Вага тіла, що рухається з прискоренням

Тепер розглянемо випадок, коли тіло, яке знаходиться на опорі, рухається з прискоренням, спрямованим угору.

Якщо опора, на якій лежить брусок, почне рухатися з прискоренням , спрямованим вертикально вгору, то сили m і уже не зрівноважуватимуть одна одну, тому що їх рівнодійна m + надаватиме бруску прискорення .

Відповідно до другого закону Ньютона, m + = m. Спроектувавши цей вираз на вісь Оу, дістаємо:

З урахуванням того, що Р= N, остаточно отримуємо:

O Якщо прискорення тіла спрямоване вгору, то вага тіла більша за силу тяжіння.

Міркуючи аналогічно, можна показати вагу тіла, якщо прискорення тіла спрямоване вниз:

O Якщо прискорення тіла спрямоване вниз, то вага тіла менша за силу тяжіння.

Необхідно звернути увагу учнів на те, що вага тіла залежить тільки від прискорення й не залежить від швидкості.

3. Невагомість

Під час вільного падіння вантажу його прискорення g = а, тому P = m(g – a) = 0, тобто вага тіла дорівнює нулю. Говорять, що тіло перебуває в стані невагомості.

O Стан, за якого вага тіла дорівнює нулю, називається станом невагомості.

Слід зазначити, що в стані невагомості вага тіла дорівнює нулю, але сила тяжіння дорівнює m.

Характерною властивістю стану невагомості є відсутність “внутрішніх напружень” у тілі, наприклад, відсутність тиску одних органів на інші в тілі людини.

Тривалого стану невагомості зазнають космонавти в космічному кораблі, коли його двигуни вимкнені. При цьому космонавти разом з космічним кораблем рухаються під дією лише сил тяжіння (з боку Землі, Місяця або інших космічних тіл).

4. Перевантаження

Під час старту космічного корабля космонавти зазнають перевантажень. Цей термін означає, що вага космонавта за модулем стає більшою за силу тяжіння. З’ясуємо, чому це відбувається.

Після ввімкнення ракетного двигуна, коли ракета починає розганятися, її рух і рух космонавта здійснюються з прискоренням, спрямованим вертикально вгору. При цьому вага космонавта буде більшою за силу тяжіння:

O Відношення сили, з якою тіло тисне на опору в разі прискореного руху вгору, до його ваги в інерціальній системі відліку називають перевантаженням:

Коли вага тіла більша за силу тяжіння, говорять, що тіло зазнає перевантаження. Перевантаження зазнають пасажири ліфтів, космонавти під час зльоту на ракеті в космос, льотчики під час виходу з пікірування тощо. Унаслідок перевантаження збільшується не лише вага людини в цілому, але й кожного її органа. Здорова людина може без шкоди для свого здоров’я витримувати короткочасні трикратні перевантаження, тобто збільшення ваги втричі. Космонавтам же під час старту й посадки космічного корабля доводиться витримувати багаторазові перевантаження.

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. За яких умов вага тіла дорівнює за модулем силі тяжіння, що діє на це тіло?

2. Чи має вагу гиря, що висить на нитці? Чому дорівнюватиме вага, якщо нитку перерізати?

3. Чи є вага в дерева, що росте у дворі?

4. Камінь кинули вертикально вгору. У які моменти польоту він перебуває в стані невагомості, якщо можна знехтувати опором повітря? Чи зміниться відповідь, якщо камінь кинути під кутом до горизонту?

5. Чому необхідно враховувати перевантаження?

6. Що спільного в падінні тіл на Землю, обертанні Місяця навколо Землі, припливах та відпливах?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. У ліфті встановили динамометр, на якому підвісили тіло масою 1 кг. Що покаже динамометр, якщо:

А) ліфт рухається рівномірно;

Б) ліфт піднімається вгору з прискоренням 5 м/с2;

В) ліфт опускається вниз з прискоренням 5 м/с2?

2. Літак робить “мертву петлю”, описуючи у вертикальній площині коло радіусом 250 м. У скільки разів вага льотчика в нижній частині траєкторії більша за силу тяжіння, якщо швидкість літака – 100 м/с?

3. Учень стверджує, що вага людини, яка перебуває в ліфті, обов’язково збільшується, коли ліфт рухається вгору, і зменшується, коли ліфт рухається вниз. Чи згодні ви з цим твердженням?

Розв’язок

Твердження невірне: вага залежить не від швидкості ліфта, а від його прискорення.

4. Космічний корабель відразу ж після старту рухається вертикально вгору з прискоренням 40 м/с2. З якою силою космонавт масою 70 кг тисне на крісло кабіни? Чому дорівнює в цьому випадку коефіцієнт перевантаження?

2). Контрольні запитання

1. Наведіть приклади рухів, коли вага тіла дорівнює силі тяжіння, що діє на це тіло.

2. Наведіть приклади рухів, за яких вага тіла менша за силу тяжіння, що діє на нього (більша за силу тяжіння, яка діє на нього).

3. Чи зникає сила притягання тіла до Землі під час переходу тіла в стан невагомості?

4. Коли виникають перевантаження?

5. Чи залежить вага тіла від його місцезнаходження?

Що ми дізналися на уроці

– Вагою тіла називають силу, з якою тіло ( унаслідок його притягання до Землі) тисне на опору або розтягує підвіс.

– Якщо прискорення тіла спрямоване вгору, то вага тіла більша за силу тяжіння:

– Якщо прискорення тіла спрямоване вниз, то вага тіла менша за силу тяжіння:

– Стан, за якого вага тіла дорівнює нулю, називається станом невагомості.

– Відношення сили, з якою тіло тисне на опору в разі прискореного руху вгору, до його ваги в інерціальній системі відліку називають перевантаженням:

Домашнє завдання

1. П.: § 27.

2. 36.:

Р1) – 7.12; 7.24; 7.32; 7.33;

Р2) – 7.39; 7.52; 7.53; 7.57;

Р3) – 7.71; 7.78; 7.80; 7.81.