Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

§ 13. Гравітаційне поле та вага тіла

• Гравітаційне поле
• Вага тіла

ГРАВІТАЦІЙНЕ ПОЛЕ. Складності в розумінні дії тіл на відстані були подолані за допомогою поняття силового поля, яке було розвинуто в XIX ст. англійським ученим Майклом Фарадеєм (1791-1867) для пояснення явищ електромагнетизму. У XIX ст. вчені дійшли висновку, що взаємодія електричних зарядів «на відстані» здійснюється за допомогою електричного поля — особливого стану матерії в просторі навколо заряджених тіл. Уявлення про взаємодію тіл через відповідне поле було названо концепцією близькодії. У XX ст. поняття поля було поширене на всі види взаємодій, в тому числі й на гравітаційну.

Навколо кожного тіла існує його своєрідне матеріальне продовження — гравітаційне поле (поле тяжіння).

Гравітаційне поле навколо тіла неоднакове: воно сильніше поблизу тіла і поступово слабшає в міру віддалення від нього. Тому, чим далі від нас будь-яке тіло, тим слабкіше його притягання. Гравітаційне поле залежить від маси тіла, що створило його: чим більша маса тіла, тим сильніше його поле, і, навпаки, чим менша маса тіла, тим слабше його поле.

ВАГА ТІЛА. Поряд із силою тяжіння в побуті та техніці використовують поняття «вага тіла».

Вагою тіла називають силу, з якою тіло, притягуючись до Землі, діє на опору або підвіс.

Важливо усвідомити, що сила тяжіння і вага — це дві різні сили, що прикладені до різних тіл і можуть відрізнятися за модулем. Істотні відмінності полягають у такому. По-перше, ці сили прикладені до різних тіл: сила тяжіння прикладена до тіла, а вага тіла — до опори або підвісу. По-друге, ці сили мають різну фізичну природу: сила тяжіння — це прояв сил всесвітнього тяжіння, що діють на відстані, а вага — зазвичай сила пружності, що діє при безпосередньому контакті. І, нарешті, сила тяжіння діє на тіло, що перебуває поблизу Землі, завжди, а вага тіла може при цьому дорівнювати нулю вага — це сила, прикладена не до тіла, а до опори чи підвісу, а сила тяжіння прикладена до тіла (мал. 13.1).

Мал. 13.1. Сила тяжіння і вага, прикладені до різних тіл

Вага тіла не завжди дорівнює його силі тяжіння. Це спостерігається під час руху тіла з прискоренням.

Р = m(g ± а),

знак «+» чи «-» перед прискоренням а залежить від напряму вертикального прискорення та напряму руху тіла.

Вага тіла, яке перебуває у спокої або рухається рівномірно і прямолінійно, дорівнює силі тяжіння.

Збільшення ваги тіла, викликане рухом по вертикалі вгору, називають перевантаженням: вага тіла більша за гравітаційну силу.

Стан тіла, за тіло рухається тільки під дією сили тяжіння, називається невагомістю.

Причина невагомості полягає в тому, що коли діє тільки сила тяжіння, вона надає тілу і його опорі однакові прискорення, а отже, зникає деформація тіл, викликана їх взаємодією з опорою. Тому будь-яке тіло, яке рухається під дією тільки сили всесвітнього тяжіння, перебуває у стані невагомості.

У стані невагомості перебувають, наприклад, космонавти та предмети, які їх оточують під час орбітальних польотів космічних кораблів. Спостерігаючи за ними за допомогою телебачення, можна бачити, як у кораблі «плавають» випущені космонавтами предмети.

Рух тіла лише під впливом земного тяжіння називають вільним падінням.

Головне в цьому параграфі

Навколо кожного тіла існує його своєрідне матеріальне продовження — гравітаційне поле (поле тяжіння). Гравітаційне поле навколо тіла неоднакове: воно сильніше поблизу тіла і поступово слабшає в міру віддалення від нього.

Коли опора чи підвіс нерухомі або коли вони рухаються рівномірно й прямолінійно відносно Землі, вага тіла дорівнює силі тяжіння.

Збільшення ваги тіла, викликане рухом по вертикалі догори, називають перевантаженням: вага тіла більша за гравітаційну силу.

Стан тіла, за якого відсутня його взаємодія з опорою (підвісом), коли воно рухається тільки під дією сили тяжіння, називається невагомістю.

Запитання для самоперевірки

• 1. Що відрізняє гравітаційне поле від електричного і магнітного?
• 2. Де гравітаційне поле сильніше — поблизу тіла чи подалі від нього?
• 3. Яку силу називають вагою?
• 4. Де розміщені точки прикладання сили тяжіння і ваги тіла?
• 5. Що таке перевантаження?
• 6. За яких умов тіло перебуває у стані невагомості? У чому виявляється невагомість тіла?
• 7. Як зміниться вага космонавта під час старту ракети та під час її приземлення?
• 8. Результатом яких незалежних видів рухів є рух тіла, кинутого горизонтально з деякої висоти?

Вправа до § 13

• 1(п). Людина стоїть у ліфті. Визначте й порівняйте сили, які діють на неї у таких випадках: а) ліфт не рухається; б) починає рухатись угору; в) рухається рівномірно; г) сповільнює рух до зупинки.
• 2(c). Визначте вагу нерухомих тіл масами 200 мг; 4 т; 800 г.
• 3(c). Визначте масу тіла, вага якого 20 мкН; 7 кН; 17 МН.
• 4(c). Людина масою 70 кг перебуває в ліфті, який рухається вертикально вгору з прискоренням 1 м/с². Визначте силу тиску (вагу) людини на підлогу кабінки ліфта.
• 5(д). Кабіна ліфту в стані спокою важить 2000 Н. Знайдіть напрям руху, масу та прискорення, з яким починає рухатися кабіна, якщо її вага зменшилась до 1700 Н.
• 6(в). Автобус масою 10 т рухається зі швидкістю 36 км/год по опуклому мосту радіусом кривизни 100 м. Яка його вага у верхній точці траєкторії?