Необходимо понимать, что вес это сила, с которой тела действуют на горизонтальную опору или вертикальный подвес. Или, согласно определению Грачева А.В. «Весом тела называют силу, с которой это тело действует на опору (или подвес), находясь относительно этой опоры (или подвеса) в неподвижном состоянии. [1 стр. 107] Действие данное обусловлено притяжением тела к Земле, то есть действием силы тяжести, поэтому вес, как и сила тяжести, направлен вниз. Но рассмотрим элементарную задачу:
Определить P вес космонавта массой 90 кг, взлетающего в космическом корабле, с ускорением 30 м/c2.
Записав второй закон Ньютона в векторной форме, увидим что, вес не входит в данное уравнение, так как уравнение включает силы, действующие на одно тело. Здесь это равнодействующая сила (геометрическая сумма всех сил, приложенных к телу космонавта). это сила тяжести, сила с которой Земля притягивает космонавта и наконец, это сила реакции опоры, сила с которой опора действует на космонавта. По третьему закону Ньютона вес равен силе реакции опоры по модулю и противоположный по направлению (вес направлен вниз, сила реакции опоры вверх). В проекции на ось y, направленную вверх получаем:
ma = N – mg
Отсюда
N = ma + mg = 90кг*30м/c2+90кг*10м/c2=3600Н
И отвечаем, что P=3600Н, вес численно равен силе реакции опоры. Нельзя не отметить, что в данном случае вес превышает в четыре раза вес космонавта, покоящегося на Земле.
Таким образом, рассчитывая силу реакции опоры, учащиеся начинают думать, что вес направлен вверх. На данную ошибку необходимо обратить внимание.
Перейдем к невесомости – это состояние когда тело движется только под действием силы тяжести, совершая свободное падение. При ответе на вопрос: «Почему космонавты на орбите находятся в невесомости?» всякий раз слышится ответ, что на них не действует сила тяжести.
Что же на самом деле? И космонавты и корабль падают, происходит свободное падение, то есть опора так же движется, и тела внутри находятся в невесомости, осуществлять давление (действовать весом) нет возможности.
А сила тяжести? Здесь необходимо вспомнить природу силы тяжести – это закон Всемирного тяготения:
где G – гравитационная постоянная.
Однако по утверждению Дедкова В.К. «..механизма притяжения одного тела другим не существует, и никогда не существовало! Идеи подобного рода были присущи раннему периоду развития науки и сохранились до настоящего времени, как дань уважения тем, кто закладывал «камни» в фундамент ее современного здания. Эвристическая формула Ньютона физического смысла не имеет, хотя и «опирается» на достоверный результат (высказанный Р.Гуком, и проверенный расчетами И.Ньютона), об изменении силы тяжести в соответствии с законом обратной пропорциональности квадрату расстояния от центра источника поля «сил тяжести». [2]
В статье Природа гравитационной и инерционной масс Максютин А.П. выдвигает гипотезу: «Локальные гравитационные массы (звезды, планеты и, вообще, все физические тела) создают аномалии гравитационного поля в виде силы тяжести на фоне бесконечно большого, скомпенсированного гравитационного поля Вселенной.» [3]
Максютин предлагает «рассматривать Вселенную как два полупространства, разделенных гипотетической плоскостью, проходящей через точку наблюдения. Каждое бесконечно большое полупространство, имея бесконечно большую массу и, согласно закону всемирного тяготения, создает гравитационное поле бесконечно большой величины. Учитывая принцип суперпозиции полей, бесконечно большие гравитационные поля от полупространств складываются, компенсируют друг друга, но не исчезают! В покое или при равномерном прямолинейном движении мы не ощущаем действия бесконечно больших гравитационных сил от бесконечно большой массы Вселенной. Если к какому-либо телу, хотя бы на мгновение, приложить силу, тело начнет ускоренно перемещаться относительно полупространств, разделенных гипотетической плоскостью, перпендикулярной направлению приложенной силы. Возникает гравитационное взаимодействие, ускоренно движущегося тела, с бесконечно большими массами полупространств Вселенной, которое создает противодействие приложенной силе, вызвавшей ускоренное движение тела. Это противодействие воспринимается как инерционная сила, как самостоятельная физическая сущность, в природе не существующая. Гравитационная масса воспринимается как инерционная. Тяжелая и инерционная массы равны потому, что природа их одна и та же! Это результат взаимодействия массы тела с бесконечно большой массой Вселенной.[3]
Если тело находится на поверхности планеты, то F = mg, сила тяготения это и есть сила тяжести. Если же тело удаляется от поверхности планеты, то сила убывает пропорционально квадрату расстояния. Однако, рассмотрев задачу: «На каком расстоянии сила притяжения в 100 раз меньше, чем на Земле?» Мы увидим, что
100R2=(R+h)2 отсюда 10R=R+h то есть h=9R, где R это радиус Земли. Спутники вращаются вокруг Земли на гораздо меньшем расстоянии, поэтому сила тяжести конечно меньше, но не на столько, чтобы ее можно было приравнять нулю. Так мы развеяли очередное заблуждение.
Нельзя не обсудить такую составляющую силы тяжести, как ускорение свободного падения, так как именно оно уменьшается при удалении от планеты. От чего оно зависит, рассмотрим из формул:
Здесь M масса планеты, тогда
При сравнении можно отметить, что при равенстве масс двух планет, ускорение свободного падения там больше, где радиус меньше.
Часто рассматриваемые задачи, когда известен состав планет и он схож по составу, то есть одинаковы плотности планет. В этом случае:
Подставляя в формулу ускорения свободного падения, получим:
Видим, что рассматриваемая нами физическая величина в этом случае больше для той планеты, у которой радиус больше.
Таким образом, напрашивается вывод, что для наиболее полного и качественного усвоения материала по темам «Вес. Сила тяжести» и «Закон Всемирного тяготения» необходимо все рассматриваемы в данной статье нюансы.