Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело; вес тела — сила, с которой тело действует на опору или подвес. Это разные силы: они приложены к разным объектам и описывают разные взаимодействия. На неподвижной горизонтальной опоре их модули обычно равны (mg), но при ускоренном движении и свободном падении вес может отличаться от силы тяжести.
Опорные различия между силой тяжести и весом
- Если речь о притяжении Земли к телу, то рассматривают силу тяжести.
- Если тело давит на опору или натягивает подвес, то речь идёт о весе.
- Сила тяжести приложена к самому телу, а вес — к опоре или подвесу.
- Если тело покоится относительно горизонтальной опоры, то модули силы тяжести и веса равны (mg).
- Если опора ускоряется или тело свободно падает, то вес может измениться, хотя притяжение Земли сохраняется.
Сила тяжести: притяжение Земли к телу
Сила тяжести — сила гравитационного притяжения, с которой Земля действует на находящееся рядом тело. Вблизи поверхности Земли её модуль вычисляют по формуле (F_{text{тяж}}=mg), где (m) — масса тела, а (g) — ускорение свободного падения.
Направление силы тяжести — к центру Земли. В обычных задачах у поверхности Земли её считают направленной вертикально вниз. Сила приложена к телу, а не к поверхности, на которой оно лежит.
Если тело находится в лифте или падает, Земля всё равно притягивает его. Поэтому отсутствие давления на опору не означает, что сила тяжести исчезла.
Вес тела: сила, с которой тело действует на опору или подвес
Вес тела — сила, с которой тело вследствие притяжения Земли действует на опору или подвес. Это не сила, приложенная к самому телу: тело действует на опору, а опора в ответ действует на тело силой реакции.
Чтобы определить вес в конкретной ситуации, проверяйте, есть ли контакт с опорой или подвесом и как они движутся:
- Если тело покоится на горизонтальной опоре или движется равномерно, то вес по модулю равен (mg).
- Если опора ускоряется вверх с ускорением (a), то вес по модулю равен (m(g+a)).
- Если опора ускоряется вниз, но тело ещё прижимается к ней, то вес по модулю равен (m(g-a)).
- Если тело и опора свободно падают с одинаковым ускорением, то тело не давит на опору: его вес равен нулю.
- Если тело подвешено, то его вес проявляется как сила, с которой оно натягивает подвес; при ускоренном движении натяжение может изменяться.
Формулы для ускоренного движения применяют с учётом направления ускорения и при условии, что тело сохраняет контакт с опорой или натягивает подвес. Для неподвижного тела на горизонтальной поверхности сила тяжести и вес тела формулы имеют одинаковое значение модуля — (mg), но обозначают разные силы.
Чем различаются точки приложения и участники взаимодействия
Для разбора взаимодействий полезно назвать оба тела, участвующих в каждой силе. Так становится ясно, почему сила тяжести и вес не являются одной и той же силой.
- Книга лежит на столе. Если рассматривают притяжение, то Земля действует силой тяжести на книгу. Если рассматривают давление, то книга действует весом на стол.
- Груз висит на верёвке. Если тело притягивается Землёй, то на груз действует сила тяжести. Если груз натягивает верёвку, то он действует на неё силой, которую называют весом.
- Человек стоит в лифте. Если лифт покоится или движется равномерно, то сила тяжести уравновешена реакцией пола, а вес по модулю равен (mg). Если лифт ускоряется, то сила, с которой человек давит на пол, меняется.
- Космонавт вместе с кораблём находится в свободном падении. Если корабль и человек падают с одинаковым ускорением, то космонавт не давит на пол, хотя сила тяжести продолжает действовать.
Если в условии задачи спрашивают о силе, приложенной к телу со стороны Земли, ищите силу тяжести. Если спрашивают, с какой силой тело давит на поверхность или тянет подвес, ищите вес.
Сравнение силы тяжести и веса в таблице
| Признак | Сила тяжести | Вес тела |
|---|---|---|
| Что описывает | Притяжение тела Землёй | Действие тела на опору или подвес |
| На какой объект действует | На само тело | На опору или подвес |
| Направление | К центру Земли | На опору или вдоль подвеса; зависит от расположения контакта |
| Формула в простом случае | (F_{text{тяж}}=mg) | (P=mg), если тело покоится на горизонтальной опоре или движется равномерно |
| Что происходит при свободном падении | Продолжает действовать | Равен нулю, если тело не взаимодействует с опорой или натянутым подвесом |
Для решения задачи о силе тяжести достаточно определить массу и ускорение свободного падения, если рассматривается тело у поверхности Земли. Если требуется найти вес, дополнительно установите, как движется опора или подвес и сохраняется ли контакт.
- Практическая опора: если тело неподвижно на горизонтальной поверхности, то вес удобно найти как (mg).
- Ограничение этого упрощения: если система ускоряется, то подстановка (P=mg) может дать неверный ответ.
Невесомость и перегрузка: как меняется вес при движении
Изменение веса ощущается как изменение давления на опору или натяжения подвеса. Это не означает, что масса тела или сила притяжения Земли обязательно изменились.
- Если лифт ускоряется вверх, то человек сильнее давит на пол и ощущает увеличение веса.
- Если лифт ускоряется вниз, то давление на пол уменьшается, пока сохраняется контакт.
- Если тело свободно падает, то возникает состояние невесомости: вес равен нулю, но сила тяжести действует.
- Если говорят о перегрузке, то обычно имеют в виду увеличение веса относительно обычного значения из-за ускорения системы.
- Если предмет находится на орбите, то не следует заключать, что земное притяжение исчезло: невесомость связана со свободным падением предмета и корабля.
Проверьте себя: шесть признаков, по которым не спутать вес с силой тяжести
Решим короткий пример: книга массой (2) кг спокойно лежит на горизонтальном столе. Сила тяжести Земли действует на книгу вниз, её модуль равен (2g). Книга давит на стол с весом такого же модуля, но эта сила приложена к столу.
- Если участник взаимодействия — Земля, а объект — тело, то определяйте силу тяжести.
- Если объект, на который действует сила, — опора или подвес, то определяйте вес.
- Если сила направлена к центру Земли и приложена к телу, то это сила тяжести.
- Если тело давит на поверхность или натягивает подвес, то оно действует весом.
- Если тело покоится на горизонтальной опоре, то модули веса и силы тяжести равны, но силы приложены к разным объектам.
- Если тело свободно падает, то сила тяжести остаётся, а вес становится нулевым.
Используйте короткий чек-лист перед записью ответа:
- Назовите тела, между которыми возникает рассматриваемое взаимодействие.
- Укажите, к какому объекту приложена сила.
- Проверьте, движется ли опора или подвес с ускорением.
- Не приравнивайте вес силе тяжести только потому, что их модули совпадают в состоянии покоя.
Если нужны дополнительные задачи на силу тяжести и вес тела с решением, разбирайте каждую схему через участников взаимодействия и направление ускорения. Если самостоятельной проверки недостаточно, репетитор по физике механика онлайн может помочь отработать построение силовых схем и выбор формул.
Что обычно вызывает путаницу при определении веса тела
Почему вес и сила тяжести часто оказываются равны?
Для тела, покоящегося на горизонтальной опоре, их модули равны (mg). Равенство модулей не превращает две силы в одну: они действуют на разные объекты.
Вес — это сила, действующая на тело?
В школьной механике весом называют силу, с которой тело действует на опору или подвес. Сила, с которой опора действует на тело, называется реакцией опоры.
Действует ли сила тяжести в состоянии невесомости?
Да. При свободном падении сила тяжести сохраняется, но тело не давит на опору и не натягивает подвес, поэтому его вес равен нулю.
Меняется ли сила тяжести в ускоряющемся лифте?
В обычной задаче у поверхности Земли силу тяжести считают равной (mg). При ускорении лифта меняется вес, то есть давление человека на пол, а не сама сила тяжести из-за движения лифта.
Как понять, о какой силе спрашивают в условии?
Если говорится о притяжении Земли, находите силу тяжести. Если нужно определить, с какой силой тело действует на опору или подвес, находите вес.
Почему показание напольных весов может измениться в лифте?
Напольные весы измеряют силу давления на опору. При ускорении лифта это давление меняется, поэтому показание отличается от значения при покое.