Definicja 1
Uważa się, że siła ciężkości działa na środek ciężkości ciała, określony przez zawieszenie ciała na nitce w różnych jego punktach. W takim przypadku punkt przecięcia wszystkich kierunków oznaczonych przez nić będzie uważany za środek ciężkości ciała.
Koncepcja grawitacji
W fizyce za grawitację uważa się siłę działającą na dowolne ciało fizyczne znajdujące się w pobliżu powierzchni ziemi lub inne ciało astronomiczne. Siła grawitacji na powierzchni planety z definicji będzie składać się z przyciągania grawitacyjnego planety, a także siły odśrodkowej bezwładności wywołanej codziennym obrotem planety.
Inne siły (na przykład przyciąganie Słońca i Księżyca) ze względu na ich małość nie są brane pod uwagę lub są badane osobno w formie tymczasowych zmian w polu grawitacyjnym Ziemi. Siła grawitacji nadaje równe przyspieszenie wszystkim ciałom, niezależnie od ich masy, reprezentując jednocześnie siłę zachowawczą. Oblicza się go w oparciu o wzór:
$\vec (P) = m\vec(g)$,
gdzie $\vec(g)$ jest przyspieszeniem nadawanym ciału przez grawitację, określanym jako przyspieszenie ziemskie.
Oprócz grawitacji na ciała poruszające się względem powierzchni Ziemi bezpośrednio oddziałuje także siła Coriolisa, czyli siła wykorzystywana do badania ruchu punktu materialnego względem obracającego się układu odniesienia. Dołączenie siły Coriolisa do sił fizycznych działających na punkt materialny umożliwi uwzględnienie wpływu obrotu układu odniesienia na taki ruch.
Ważne wzory do obliczeń
Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, siła przyciągania grawitacyjnego działająca na punkt materialny o masie $m$ na powierzchni ciała astronomicznego sferycznie symetrycznego o masie $M$ będzie określona zależnością:
$F=(G)\frac(Mm)(R^2)$, gdzie:
- $G$ – stała grawitacyjna,
- $R$ to promień ciała.
Zależność ta okazuje się prawdziwa, jeśli założymy sferycznie symetryczny rozkład masy w objętości ciała. Następnie siła przyciągania grawitacyjnego skierowana jest bezpośrednio na środek ciała.
Moduł odśrodkowej siły bezwładności $Q$ działającej na cząstkę materiału wyraża się wzorem:
$Q = maw^2$, gdzie:
- $a$ to odległość pomiędzy cząstką a osią obrotu rozważanego ciała astronomicznego,
- $w$ jest prędkością kątową jego obrotu. W tym przypadku odśrodkowa siła bezwładności staje się prostopadła do osi obrotu i skierowana od niej.
W formacie wektorowym wyrażenie siły odśrodkowej bezwładności zapisuje się w następujący sposób:
$\vec(Q) = (mw^2\vec(R_0))$, gdzie:
$\vec (R_0)$ jest wektorem prostopadłym do osi obrotu, który jest z niego rysowany do określonego punktu materialnego znajdującego się w pobliżu powierzchni Ziemi.
W tym przypadku siła ciężkości $\vec (P)$ będzie równa sumie $\vec (F)$ i $\vec (Q)$:
$\vec(P) = \vec(F) = \vec(Q)$
Prawo przyciągania
Bez grawitacji powstanie wielu rzeczy, które obecnie wydają nam się naturalne, byłoby niemożliwe: na przykład nie byłoby lawin schodzących z gór, przepływów rzek czy opadów. Atmosfera ziemska może być utrzymywana wyłącznie dzięki grawitacji. Planety o mniejszej masie, np. Księżyc czy Merkury, w dość szybkim tempie utraciły całą atmosferę i stały się bezbronne przed strumieniami agresywnego promieniowania kosmicznego.
Atmosfera ziemska odegrała decydującą rolę w procesie powstawania życia na Ziemi. Oprócz grawitacji na Ziemię wpływa także siła grawitacji Księżyca. Ze względu na bliskość (w skali kosmicznej) na Ziemi możliwe są przypływy i odpływy, a wiele rytmów biologicznych pokrywa się z Kalendarz księżycowy. Dlatego grawitację należy postrzegać jako przydatne i ważne prawo natury.
Uwaga 2
Prawo przyciągania jest uważane za uniwersalne i można je zastosować do dowolnych dwóch ciał o określonej masie.
W sytuacji, gdy masa jednego oddziałującego ciała okazuje się znacznie większa od masy drugiego, mówimy o szczególnym przypadku siły grawitacyjnej, dla którego istnieje specjalne określenie, np. „grawitacja”. Ma zastosowanie do zagadnień skupiających się na określeniu siły grawitacji na Ziemi lub innych ciałach niebieskich. Podstawiając wartość grawitacji do wzoru drugiego prawa Newtona, otrzymujemy:
Tutaj $a$ jest przyspieszeniem grawitacyjnym, zmuszającym ciała do dążenia do siebie. W zadaniach wykorzystujących przyspieszenie grawitacyjne takie przyspieszenie oznacza się literą $g$. Używając własnego rachunku całkowego, Newton był w stanie matematycznie udowodnić stałą koncentrację grawitacji w środku większego ciała.
Konieczne jest poznanie punktu przyłożenia i kierunku każdej siły. Ważne jest, aby móc określić, jakie siły działają na ciało i w jakim kierunku. Siłę oznacza się jako , mierzoną w Newtonach. Aby rozróżnić siły, oznacza się je w następujący sposób
Poniżej znajdują się główne siły działające w przyrodzie. Przy rozwiązywaniu problemów nie da się wymyślić sił, które nie istnieją!
W naturze istnieje wiele sił. Rozważamy tutaj siły, które są uwzględniane na szkolnym kursie fizyki podczas studiowania dynamiki. Wspomina się także o innych siłach, które zostaną omówione w innych rozdziałach.
Powaga
Każde ciało na planecie podlega wpływowi grawitacji Ziemi. Siłę, z jaką Ziemia przyciąga każde ciało, określa wzór
Punkt przyłożenia znajduje się w środku ciężkości ciała. Powaga zawsze skierowane pionowo w dół.
Siła tarcia
Zapoznajmy się z siłą tarcia. Siła ta występuje, gdy ciała się poruszają i stykają się dwie powierzchnie. Siła ta występuje, ponieważ powierzchnie oglądane pod mikroskopem nie są tak gładkie, jak się wydają. Siłę tarcia określa się ze wzoru:
Siła jest przykładana w punkcie styku dwóch powierzchni. Skierowany w kierunku przeciwnym do ruchu.
Siła reakcji podłoża
Wyobraźmy sobie bardzo ciężki przedmiot leżący na stole. Stół ugina się pod ciężarem przedmiotu. Ale zgodnie z trzecim prawem Newtona stół działa na przedmiot z dokładnie taką samą siłą, jak przedmiot na stole. Siła jest skierowana przeciwnie do siły, z jaką przedmiot naciska na stół. To znaczy w górę. Siła ta nazywana jest reakcją podłoża. Imię siły „mówi” wsparcie reaguje. Siła ta występuje zawsze, gdy następuje uderzenie w podporę. Charakter jego występowania na poziomie molekularnym. Obiekt zdawał się deformować zwykłe położenie i połączenia cząsteczek (wewnątrz stołu), one z kolei dążą do powrotu do swojego pierwotnego stanu, „przeciwstawiają się”.
Absolutnie każde ciało, nawet bardzo lekkie (np. leżący na stole ołówek), deformuje podporę na poziomie mikro. Dlatego zachodzi reakcja podłoża.
Nie ma specjalnego wzoru na znalezienie tej siły. Jest ona oznaczona literą , ale siła ta jest po prostu odrębnym rodzajem siły sprężystości, zatem można ją również oznaczyć jako
Siła przykładana jest w miejscu kontaktu obiektu z podporą. Skierowany prostopadle do podpory.
Ponieważ ciało jest reprezentowane jako punkt materialny, siłę można przedstawić od środka
Siła sprężystości
Siła ta powstaje w wyniku odkształcenia (zmiany stanu początkowego substancji). Na przykład, rozciągając sprężynę, zwiększamy odległość między cząsteczkami materiału sprężyny. Kiedy ściskamy sprężynę, zmniejszamy ją. Kiedy skręcamy lub przesuwamy. We wszystkich tych przykładach pojawia się siła zapobiegająca odkształceniu – siła sprężystości.
Prawo Hooke’a
Siła sprężystości jest skierowana przeciwnie do odkształcenia.
Ponieważ ciało jest reprezentowane jako punkt materialny, siłę można przedstawić od środka
Na przykład podczas łączenia szeregowego sprężyn sztywność oblicza się ze wzoru
Przy połączeniu równoległym sztywność
Próbka sztywności. Moduł Younga.
Moduł Younga charakteryzuje właściwości sprężyste substancji. Jest to wartość stała, zależna wyłącznie od materiału i jego stanu fizycznego. Charakteryzuje odporność materiału na odkształcenia rozciągające lub ściskające. Wartość modułu Younga jest tabelaryczna.
Przeczytaj więcej o właściwościach ciał stałych.
Masy ciała
Masa ciała to siła, z jaką obiekt działa na podporę. Mówisz, że to siła grawitacji! Zamieszanie pojawia się w następujący sposób: rzeczywiście często ciężar ciała jest równy sile grawitacji, ale siły te są zupełnie inne. Grawitacja to siła powstająca w wyniku oddziaływania z Ziemią. Waga jest wynikiem interakcji ze wsparciem. Siła ciężkości przykładana jest w środku ciężkości obiektu, natomiast ciężar to siła przykładana do podpory (nie do obiektu)!
Nie ma wzoru na określenie wagi. Siła ta jest oznaczona literą.
Siła reakcji podpory lub siła sprężystości powstaje w odpowiedzi na uderzenie przedmiotu w zawieszenie lub podporę, dlatego ciężar ciała jest zawsze liczbowo równy sile sprężystości, ale ma przeciwny kierunek.
Siła reakcji podpory i ciężar są siłami tej samej natury; zgodnie z III zasadą Newtona są one równe i przeciwnie skierowane. Ciężar to siła działająca na podporę, a nie na ciało. Na ciało działa siła ciężkości.
Masa ciała może nie być równa grawitacji. Może być mniej więcej lub może być tak, że waga wynosi zero. Ten stan nazywa się nieważkość. Nieważkość to stan, w którym obiekt nie oddziałuje z podporą, na przykład stan lotu: jest grawitacja, ale ciężar wynosi zero!
Kierunek przyspieszenia można określić, jeśli określi się, gdzie skierowana jest siła wypadkowa
Należy pamiętać, że ciężar to siła mierzona w Newtonach. Jak poprawnie odpowiedzieć na pytanie: „Ile ważysz”? Odpowiadamy 50 kg, nie podając naszej wagi, ale naszą masę! W tym przykładzie nasza waga jest równa grawitacji, czyli około 500N!
Przeciążać- stosunek ciężaru do grawitacji
Siła Archimedesa
Siła powstaje w wyniku oddziaływania ciała z cieczą (gazem), gdy jest ono zanurzone w cieczy (lub gazie). Siła ta wypycha ciało z wody (gazu). Dlatego jest skierowany pionowo w górę (wypycha). Określone według wzoru:
W powietrzu zaniedbujemy moc Archimedesa.
Jeśli siła Archimedesa jest równa sile grawitacji, ciało unosi się na wodzie. Jeśli siła Archimedesa jest większa, wówczas unosi się ona na powierzchnię cieczy, jeśli jest mniejsza, opada.
Siły elektryczne
Istnieją siły pochodzenia elektrycznego. Zachodzi w obecności ładunku elektrycznego. Siły te, takie jak siła Coulomba, siła Ampera, siła Lorentza, zostały szczegółowo omówione w rozdziale Elektryczność.
Schematyczne oznaczenie sił działających na ciało
Często ciało modeluje się jako punkt materialny. Dlatego na diagramach różne punkty zastosowania są przenoszone do jednego punktu - do środka, a ciało jest przedstawiane schematycznie jako okrąg lub prostokąt.
Aby poprawnie wyznaczyć siły, należy wymienić wszystkie ciała, z którymi oddziałuje badane ciało. Określ, co dzieje się w wyniku interakcji z każdym z nich: tarcie, deformacja, przyciąganie, a może odpychanie. Określ rodzaj siły i poprawnie wskaż jej kierunek. Uwaga! Ilość sił będzie się pokrywać z liczbą ciał, z którymi zachodzi interakcja.
Najważniejszą rzeczą do zapamiętania
1) Siły i ich natura;
2) Kierunek sił;
3) Potrafić zidentyfikować działające siły
Istnieje tarcie zewnętrzne (suche) i wewnętrzne (lepkie). Tarcie zewnętrzne występuje pomiędzy stykającymi się powierzchniami stałymi, tarcie wewnętrzne występuje pomiędzy warstwami cieczy lub gazu podczas ich względnego ruchu. Wyróżnia się trzy rodzaje tarcia zewnętrznego: tarcie statyczne, tarcie ślizgowe i tarcie toczne.
Tarcie toczne określa się ze wzoru
Siła oporu występuje, gdy ciało porusza się w cieczy lub gazie. Wielkość siły oporu zależy od wielkości i kształtu ciała, prędkości jego ruchu oraz właściwości cieczy lub gazu. Przy małych prędkościach ruchu siła oporu jest proporcjonalna do prędkości ciała
Przy dużych prędkościach jest ona proporcjonalna do kwadratu prędkości
Rozważmy wzajemne przyciąganie obiektu i Ziemi. Pomiędzy nimi, zgodnie z prawem grawitacji, powstaje siła 
Porównajmy teraz prawo grawitacji i siłę grawitacji 
Wielkość przyspieszenia grawitacyjnego zależy od masy Ziemi i jej promienia! Można zatem obliczyć, z jakim przyspieszeniem obiekty spadną na Księżyc lub inną planetę, wykorzystując masę i promień tej planety.
Odległość od środka Ziemi do biegunów jest mniejsza niż do równika. Dlatego przyspieszenie grawitacyjne na równiku jest nieco mniejsze niż na biegunach. Jednocześnie należy zauważyć, że główną przyczyną zależności przyspieszenia ziemskiego od szerokości geograficznej obszaru jest fakt obrotu Ziemi wokół własnej osi.
W miarę oddalania się od powierzchni Ziemi siła grawitacji i przyspieszenie grawitacyjne zmieniają się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości do środka Ziemi.
Absolutnie wszystkie ciała we Wszechświecie podlegają działaniu magicznej siły, która w jakiś sposób przyciąga je do Ziemi (a dokładniej do jej jądra). Nie ma gdzie uciec, nie ma gdzie się ukryć przed wszechogarniającą magiczną grawitacją: planety naszego Układu Słonecznego przyciągają się nie tylko do ogromnego Słońca, ale także do siebie nawzajem, wszystkie obiekty, cząsteczki i najmniejsze atomy również przyciągają się wzajemnie . znany nawet małym dzieciom, poświęcając swoje życie badaniu tego zjawiska, ustanowił jedno z największych praw - prawo powszechnego ciążenia.
Czym jest grawitacja?
Definicja i formuła są od dawna znane wielu. Przypomnijmy, że grawitacja to pewna wielkość, jeden z naturalnych przejawów powszechnej grawitacji, a mianowicie: siła, z jaką każde ciało niezmiennie przyciągane jest do Ziemi.
Grawitację oznacza się łacińską literą F. Grawitacja.
Grawitacja: formuła
Jak obliczyć kierunek do konkretnego ciała? Jakie inne ilości musisz w tym celu znać? Wzór na obliczenie grawitacji jest dość prosty, uczy się go w siódmej klasie Szkoła średnia, na początku kursu fizyki. Aby nie tylko poznać, ale i zrozumieć, należy wyjść z faktu, że siła ciężkości, która niezmiennie działa na ciało, jest wprost proporcjonalna do jego wartości ilościowej (masy).
Jednostka ciężkości została nazwana na cześć wielkiego naukowca - Newtona.
Jest on zawsze skierowany ściśle w dół, w stronę środka jądra Ziemi, dzięki jego wpływowi wszystkie ciała spadają w dół z jednakowym przyspieszeniem. Zjawiska grawitacyjne w Życie codzienne Widzimy wszędzie i stale:
- przedmioty przypadkowo lub celowo wypuszczone z rąk koniecznie spadają na Ziemię (lub na jakąkolwiek powierzchnię uniemożliwiającą swobodny spadek);
- satelita wystrzelony w przestrzeń kosmiczną nie odlatuje od naszej planety na nieokreśloną odległość prostopadle do góry, lecz pozostaje w ruchu obrotowym po orbicie;
- wszystkie rzeki wypływają z gór i nie można ich odwrócić;
- czasami ktoś upada i zostaje ranny;
- maleńkie drobinki kurzu osadzają się na wszystkich powierzchniach;
- powietrze koncentruje się blisko powierzchni ziemi;
- torby trudne do noszenia;
- Z chmur kapie deszcz, pada śnieg i grad.
Wraz z pojęciem „grawitacji” używany jest termin „masa ciała”. Jeżeli ciało ułożone jest na płaskiej, poziomej powierzchni, to jego ciężar i ciężar są liczbowo równe, dlatego często te dwa pojęcia są zastępowane, co wcale nie jest poprawne.
Przyśpieszenie grawitacyjne
Pojęcie „przyspieszenia grawitacyjnego” (innymi słowy jest powiązane z terminem „siła ciężkości”. Wzór pokazuje: aby obliczyć siłę ciężkości, należy pomnożyć masę przez g (przyspieszenie grawitacyjne) .
„g” = 9,8 N/kg, jest to wartość stała. Jednak dokładniejsze pomiary pokazują, że na skutek obrotu Ziemi wartość przyspieszenia Św. n. nie jest takie samo i zależy od szerokości geograficznej: na biegunie północnym = 9,832 N/kg, a na gorącym równiku = 9,78 N/kg. Okazuje się, że w różnych miejscach planety na ciała o jednakowej masie skierowane są różne siły grawitacji (wzór mg pozostaje niezmieniony). Do obliczeń praktycznych zdecydowano się uwzględnić drobne błędy w tej wartości i przyjąć średnią wartość 9,8 N/kg.
Proporcjonalność takiej wielkości jak grawitacja (dowodzi tego wzór) pozwala zmierzyć ciężar przedmiotu za pomocą dynamometru (podobnie jak w zwykłym gospodarstwie domowym). Należy pamiętać, że urządzenie pokazuje tylko siłę, ponieważ aby określić dokładną masę ciała, należy znać regionalną wartość g.
Czy grawitacja działa w dowolnej odległości (zarówno bliskiej, jak i dalekiej) od środka Ziemi? Newton postawił hipotezę, że działa on na ciało nawet w znacznej odległości od Ziemi, jednak jego wartość maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości obiektu od jądra Ziemi.
Grawitacja w Układzie Słonecznym
Czy istnieje definicja i wzór dotyczący innych planet, które pozostają aktualne? Z jedną tylko różnicą w znaczeniu „g”:
- na Księżycu = 1,62 N/kg (sześć razy mniej niż na Ziemi);
- na Neptunie = 13,5 N/kg (prawie półtora raza więcej niż na Ziemi);
- na Marsie = 3,73 N/kg (ponad dwa i pół razy mniej niż na naszej planecie);
- na Saturnie = 10,44 N/kg;
- na rtęci = 3,7 N/kg;
- na Wenus = 8,8 N/kg;
- na Uranie = 9,8 N/kg (prawie tyle samo co u nas);
- na Jowiszu = 24 N/kg (prawie dwa i pół razy więcej).
Grawitacja to siła, z jaką Ziemia przyciąga ciało znajdujące się blisko jej powierzchni. .
Zjawiska grawitacji można zaobserwować wszędzie w otaczającym nas świecie. Wyrzucona w górę piłka spada, rzucony poziomo kamień po pewnym czasie ląduje na ziemi. Sztuczny satelita wystrzelony z Ziemi, pod wpływem działania grawitacji, nie leci po linii prostej, ale porusza się po Ziemi.
Powaga zawsze skierowany pionowo w dół, w stronę środka Ziemi. Jest to oznaczone literą łacińską Ft (T- ciężkość). Siła ciężkości działa na środek ciężkości ciała.
Aby znaleźć środek ciężkości dowolnego kształtu, musisz zawiesić ciało na nitce w różnych jego punktach. Punkt przecięcia wszystkich kierunków oznaczonych przez nić będzie środkiem ciężkości ciała. Środek ciężkości ciał o regularnym kształcie znajduje się w środku symetrii ciała i nie jest konieczne, aby należał do ciała (na przykład środek symetrii pierścienia).
Dla ciała znajdującego się blisko powierzchni Ziemi siła ciężkości jest równa:
gdzie jest masa Ziemi, M- masa ciała, R- promień Ziemi.
Jeśli tylko ta siła działa na ciało (a wszystkie pozostałe się równoważą), wówczas następuje swobodny spadek. Przyspieszenie tego swobodnego spadku można obliczyć, stosując drugie prawo Newtona:
(2)
Z tego wzoru możemy wywnioskować, że przyspieszenie ziemskie nie zależy od masy ciała M jest zatem taki sam dla wszystkich ciał. Zgodnie z drugim prawem Newtona grawitację można zdefiniować jako iloczyn masy ciała i jego przyspieszenia (w tym przypadku przyspieszenia grawitacyjnego G);
Powaga działające na ciało jest równe iloczynowi masy ciała i przyspieszenia ziemskiego.
Podobnie jak drugie prawo Newtona, wzór (2) obowiązuje tylko w inercjalnych układach odniesienia. Na powierzchni Ziemi inercyjnymi układami odniesienia mogą być jedynie układy powiązane z biegunami Ziemi, które nie biorą udziału w jej codziennym obrocie. Wszystkie pozostałe punkty na powierzchni Ziemi poruszają się po okręgach z przyspieszeniami dośrodkowymi, a układy odniesienia powiązane z tymi punktami nie są bezwładnościowe.
Ze względu na obrót Ziemi przyspieszenie grawitacyjne na różnych szerokościach geograficznych jest różne. Jednak przyspieszenie ziemskie w różnych regionach globu różni się bardzo nieznacznie i bardzo niewiele różni się od wartości obliczonej ze wzoru
Dlatego w przybliżonych obliczeniach pomija się bezwładność układu odniesienia związanego z powierzchnią Ziemi i przyjmuje się, że przyspieszenie swobodnego spadania jest wszędzie takie samo.
W tym akapicie przypomnimy Ci o grawitacji, przyspieszeniu dośrodkowym i masie ciała
Każde ciało na planecie podlega wpływowi grawitacji Ziemi. Siłę, z jaką Ziemia przyciąga każde ciało, określa wzór
Punkt przyłożenia znajduje się w środku ciężkości ciała. Powaga zawsze skierowane pionowo w dół.
Nazywa się siłę, z jaką ciało przyciągane jest do Ziemi pod wpływem ziemskiego pola grawitacyjnego powaga. Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia na powierzchnię Ziemi (lub w jej pobliżu) na ciało o masie m działa siła grawitacji
Ft =GMm/R2
gdzie M jest masą Ziemi; R jest promieniem Ziemi.
Jeśli na ciało działa tylko siła grawitacji, a wszystkie inne siły się równoważą, ciało spada swobodnie. Zgodnie z drugim prawem Newtona i wzorem Ft =GMm/R2 moduł przyspieszenia grawitacyjnego g można znaleźć ze wzoru
g=F t /m=GM/R 2 .
Ze wzoru (2.29) wynika, że przyspieszenie swobodnego spadania nie zależy od masy m spadającego ciała, tj. dla wszystkich ciał w danym miejscu na Ziemi jest ono takie samo. Ze wzoru (2.29) wynika, że Ft = mg. W formie wektorowej
Ft = mg
W § 5 zauważono, że ponieważ Ziemia nie jest kulą, ale elipsoidą obrotową, jej promień biegunowy jest mniejszy niż równikowy. Ze wzoru Ft =GMm/R2 jasne jest, że z tego powodu siła ciężkości i powodowane przez nią przyspieszenie grawitacyjne na biegunie jest większe niż na równiku.
Siła grawitacji działa na wszystkie ciała znajdujące się w polu grawitacyjnym Ziemi, ale nie wszystkie ciała spadają na Ziemię. Wyjaśnia to fakt, że ruch wielu ciał jest utrudniany przez inne ciała, na przykład podpory, nici zawieszenia itp. Ciała, które ograniczają ruch innych ciał, nazywane są znajomości. Pod wpływem grawitacji wiązania ulegają odkształceniu, a siła reakcji odkształconego połączenia, zgodnie z trzecim prawem Newtona, równoważy siłę ciężkości.
Na przyspieszenie grawitacyjne wpływa obrót Ziemi. Wpływ ten wyjaśniono w następujący sposób. Układy odniesienia związane z powierzchnią Ziemi (z wyjątkiem dwóch związanych z biegunami Ziemi) nie są, ściśle rzecz biorąc, inercjalnymi układami odniesienia - Ziemia obraca się wokół własnej osi i wraz z nią poruszają się po okręgach z przyspieszenie dośrodkowe i takie systemy odniesienia. Owa nieinercyjność układów odniesienia objawia się w szczególności tym, że wartość przyspieszenia ziemskiego okazuje się różna w różnych miejscach na Ziemi i zależy od szerokości geograficznej miejsca, w którym znajduje się związany z nim układ odniesienia. znajduje się Ziemia, względem której określa się przyspieszenie ziemskie.
Pomiary przeprowadzone na różnych szerokościach geograficznych wykazały, że wartości liczbowe przyspieszenia ziemskiego niewiele się od siebie różnią. Zatem przy niezbyt dokładnych obliczeniach możemy pominąć nieinercjalność układów odniesienia związanych z powierzchnią Ziemi, a także różnicę w kształcie Ziemi od kulistej i założyć, że przyspieszenie grawitacyjne w dowolnym miejscu na Ziemi jest taka sama i równa 9,8 m/s 2 .
Z prawa powszechnego ciążenia wynika, że siła grawitacji i powodowane przez nią przyspieszenie grawitacyjne maleje wraz ze wzrostem odległości od Ziemi. Na wysokości h od powierzchni Ziemi moduł przyspieszenia grawitacyjnego określa się ze wzoru
g=GM/(R+h) 2.
Ustalono, że na wysokości 300 km nad powierzchnią Ziemi przyspieszenie ziemskie jest o 1 m/s2 mniejsze niż na powierzchni Ziemi.
W rezultacie w pobliżu Ziemi (do wysokości kilku kilometrów) siła ciężkości praktycznie się nie zmienia, dlatego swobodny spadek ciał w pobliżu Ziemi jest ruchem jednostajnie przyspieszonym.
Masy ciała. Nieważkość i przeciążenie
Nazywa się siłę, z jaką pod wpływem przyciągania do Ziemi ciało działa na jego podparcie lub zawieszenie masy ciała. W przeciwieństwie do grawitacji, która jest siłą grawitacji przyłożoną do ciała, ciężar jest siłą sprężystą przyłożoną do podpory lub zawieszenia (tj. ogniwa).
Z obserwacji wynika, że ciężar ciała P, wyznaczony na wadze sprężynowej, jest równy sile ciężkości F t działającej na to ciało tylko wtedy, gdy waga ciała względem Ziemi znajduje się w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym i prostoliniowym; W tym przypadku
Р=F t=mg.
Jeżeli ciało porusza się z przyspieszeniem, to jego ciężar zależy od wartości tego przyspieszenia oraz od jego kierunku względem kierunku przyspieszenia ziemskiego.
Kiedy ciało zawieszone jest na wadze sprężynowej, działają na nie dwie siły: siła ciężkości F t = mg i siła sprężystości F yp sprężyny. Jeżeli w tym przypadku ciało porusza się pionowo w górę lub w dół względem kierunku przyspieszenia swobodnego spadania, to suma wektorów sił F t i F up daje wypadkową powodującą przyspieszenie ciała, tj.
F t + F w górę = ma.
Zgodnie z powyższą definicją pojęcia „waga” możemy napisać, że P = -F yp. Ze wzoru: F t + F w górę = ma. biorąc pod uwagę, że F T =mg, wynika z tego, że mg-ma=-F tak . Zatem P=m(g-a).
Siły Ft i Fup są skierowane wzdłuż jednej pionowej linii prostej. Jeżeli zatem przyspieszenie ciała a jest skierowane w dół (tzn. pokrywa się w kierunku z przyspieszeniem swobodnego spadania g), to w module
P=m(g-a)
Jeżeli przyspieszenie ciała jest skierowane w górę (tj. przeciwnie do kierunku przyspieszenia swobodnego spadania), to
P = m = m(g+a).
W związku z tym ciężar ciała, którego przyspieszenie pokrywa się w kierunku z przyspieszeniem swobodnego spadania, jest mniejszy od ciężaru ciała w spoczynku, a ciężar ciała, którego przyspieszenie jest przeciwne do kierunku przyspieszenia swobodnego spadania, jest większy niż ciężar ciała w spoczynku. Nazywa się zwiększenie masy ciała spowodowane jego przyspieszonym ruchem przeciążać.
Podczas swobodnego spadania a=g. Ze wzoru: P=m(g-a)
wynika z tego, że w tym przypadku P = 0, czyli nie ma wagi. Jeśli zatem ciała poruszają się jedynie pod wpływem grawitacji (tj. swobodnie spadają), to znajdują się w stanie nieważkość. Charakterystyczną cechą tego stanu jest brak odkształceń i naprężeń wewnętrznych w swobodnie spadających ciałach, które powstają pod wpływem grawitacji w ciałach w spoczynku. Przyczyną nieważkości ciał jest to, że siła grawitacji nadaje równe przyspieszenia swobodnie spadającemu ciału i jego podparciu (lub zawieszeniu).
