Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 25. Сила тяжіння. Вага тіла
Візьмемо м’яч, піднімимо його та відпустимо — він обов’язково впаде. Поставимо рюкзак на лаву — лава (хоч і непомітно для ока) прогнеться. Підвісимо до гумового шнура важку сумку — шнур помітно розтягнеться. Чому так відбувається? З’ясуємо?
1. Як виявляється гравітаційна взаємодія?
Чому будь-який предмет: випущений із руки олівець, крапля дощу, листок дерева тощо — падає вниз? Чому стріла, пущена з лука, не летить увесь час горизонтально, а врешті падає на землю? Чому Місяць рухається навколо Землі? Причина всіх цих явищ полягає в тому, що Земля притягує до себе всі тіла (рис. 25.1).
Рис. 25.1. Земля притягує до себе всі тіла
Усі тіла також притягують до себе Землю. Наприклад, притягання Місяця спричиняє на Землі припливи та відпливи (рис. 25.2). Завдяки притяганню Сонця усі планети Сонячної системи рухаються навколо Сонця по певних орбітах.
Рис. 25.2. Припливи та відпливи є наслідками притягання Землі до Місяця
У 1687 р. Ісаак Ньютон сформулював закон, згідно з яким між усіма тілами Всесвіту існує взаємне притягання. Таке взаємне притягання об’єктів називають гравітаційною взаємодією або всесвітнім тяжінням.
Спираючись на досліди та математичні розрахунки, Ньютон виявив, що інтенсивність гравітаційної взаємодії збільшується зі збільшенням мас тіл, які взаємодіють.
А ЯК НАСПРАВДІ?
— Тепер зрозуміло, чому ми добре помічаємо притягання Землі й зовсім не відчуваємо притягання сусіда по парті, — сказав Петро.
— Це дійсно так. Але чому тоді я не відчуваю притягання Юпітера, маса якого є значно більшою за масу Землі. Тут є протиріччя! — наголосила Яринка.
А як насправді?
2. Як знайти силу тяжіння?
У фізиці силу гравітаційного притягання Землі, яка діє на тіла поблизу її поверхні*, називають силою тяжіння.
* Вважатимемо, що коли говорять «поблизу поверхні Землі», мають на увазі відстань, яка не перевищує кількох десятків кілометрів.
Сила тяжіння прикладена до тіла, яке притягується Землею, і напрямлена вертикально вниз, до центра Землі (рис. 25.3).
Fтяж = mg,
де Fтяж — значення сили тяжіння; m — маса тіла; g — коефіцієнт пропорційності, який називають прискорення вільного падіння і який є однаковим для будь-яких тіл.
Рис. 25.3. Сила тяжіння завжди прикладена до тіла і напрямлена вертикально вниз
Поблизу поверхні Землі прискорення вільного падіння становить приблизно 9,8 ньютона на кілограм:
* Для спрощення розрахунків, якщо не потрібна велика точність, можна вважати, що g = 10 Н/кг.
Значення прискорення вільного падіння незначно змінюється на екваторі й полюсах Землі (рис. 25.4), в разі підняття вгору і спуску в шахту.
Рис. 25.4. Прискорення вільного падіння на екваторі (g3) є незначно меншим, ніж на полюсі (g1)
Скориставшись рис. 25.4, дізнайтеся, на скільки сила тяжіння, яка діє на вас, на екваторі менша, ніж на полюсі.
3. Що фізики називають вагою тіла?
Усі тіла через притягання до Землі стискають чи прогинають опору або розтягують підвіс. Сила, яка характеризує таку дію тіл, називається вагою тіла (рис. 25.5).
Рис. 25.5. Тіла, розміщені на опорі або підвісі, діють на них із силою, яку називають вагою тіла
Одиниця ваги в СІ, як і будь-якої іншої сили, — ньютон (1 Н): [Р] = Н.
Якщо тіло перебуває в стані спокою або прямолінійного рівномірного руху, то його вага збігається за напрямком із силою тяжіння і дорівнює їй за значенням:
P = mg.
На відміну від сили тяжіння, яка прикладена до тіла, вага прикладена до опори або підвісу (рис. 25.6).
Рис. 25.6. Сила тяжіння діє на тіло, вага тіла — на опору
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Окрім гравітаційної, є ще декілька видів взаємодії. Одна з них — електромагнітна. Сила тяжіння зумовлена гравітаційною взаємодією, а сила пружності — електромагнітною. Вага тіла — це сила пружності (адже вона виникає внаслідок деформації), тому вага тіла — електромагнітна сила.
4. Чи можете ви відчути стан невагомості?
Дехто вважає, що невагомість — це стан, який спостерігається лише в космосі, де немає повітря, або там, де відсутня гравітація. Але це не так! Відсутність повітря сама по собі не спричиняє невагомості, а від гравітації взагалі не сховаєшся — у Всесвіті немає жодного куточка, де б не діяли сили всесвітнього тяжіння*.
Невагомість — це такий стан тіла, за якого тіло не діє на опору чи підвіс.
Тіло поблизу поверхні Землі перебуває в стані невагомості, якщо на нього діє тільки одна сила — сила тяжіння.
* Цікаво, що густина матерії в нашому Всесвіті досить мала (2-3 атоми Гідрогену на 1 м3), тому у Всесвіті в середньому дуже мала й гравітація. Її називають мікрогравітацією.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Вам знадобляться динамометр і важок.
Підвісьте важок до пружини динамометра — пружина розтягнеться. А тепер випустіть динамометр із підвішеним важком із руки та уважно спостерігайте за показами динамометра. Поясніть, у якому стані перебуває важок під час падіння.
У стані невагомості можете опинитися й ви, наприклад підстрибнувши: поки ви падаєте, опір повітря є нехтовно малим, і можна вважати, що на вас діє тільки сила тяжіння.
Постійно в стані невагомості перебувають космічні орбітальні станції і все, що в них є (рис. 25.7). Це пов’язано з тим, що космічні кораблі «постійно падають» на Землю через її притягання і водночас залишаються на орбіті завдяки своїй величезній швидкості.
Рис. 25.7. Орбітальні станції рухаються навколо Землі під дією тільки сили тяжіння, тому вони перебувають у стані невагомості
У нетренованої людини тривале перебування в стані невагомості зазвичай супроводжується нудотою, порушенням роботи м’язів, вестибулярного апарату, нервовими розладами. Саме тому космонавти проходять серйозну фізичну підготовку (рис. 25.8).
Рис. 25.8. Щоб тривалий час працювати на орбіті в стані невагомості, космонавти проходять спеціальну підготовку
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
У Всесвіті всі тіла притягуються одне до одного. Така взаємодія тіл називається гравітаційною взаємодією.
Коли тіло рухається під дією лише сили тяжіння, воно перебуває в стані невагомості (його вага дорівнює нулю).
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чи діє на вас сила притягання до Місяця? до Сонця? до вашого сусіда по парті? 2. Дайте означення сили тяжіння. За якою формулою її обчислюють? 3. До чого прикладена і куди напрямлена сила тяжіння? 4. Дайте означення ваги тіла. У яких випадках її обчислюють за формулою P = mg? 5. Що таке невагомість? За яких умов тіло перебуватиме в невагомості?
ВПРАВА № 25
1. Чи притягує Землю автомобіль, який стоїть на автостоянці? космічна станція, яка перебуває на орбіті?
2. Книжка лежить на столі. На яке тіло діє вага книжки?
3. Визначте силу тяжіння, яка діє на тіло масою 600 г.
4. Якою є маса тіла, якщо його вага дорівнює 600 Н?
5. Якою є вага меду об’ємом 1 л?
6. У відро масою 1,5 кг налили 5,5 л води. Яку силу треба прикладати, щоб утримувати відро в руках? Зробіть рисунок, зазначивши сили, що діють на відро.
7. Складіть задачу, обернену до задачі 5 цієї вправи, та розв’яжіть її.
8. Визначте силу тяжіння, яка діяла б на вас особисто в разі космічної подорожі на інші планети Сонячної системи (або супутники). Поміркуйте, до яких наслідків це могло б призвести.
Ключові терміни
Всесвітнє тяжіння • Гравітаційна взаємодія • Сила тяжіння • Прискорення вільного падіння • Вага тіла • Невагомість
