Конспект урока: Сила реакции опоры. Вес. Динамометр

Сила реакции опоры. Вес

Представьте себе, что на деревянный стол положили камень (рис. 1, а). Камень притягивается к Земле с силой тяжести, но, тем не менее остаётся неподвижным. Мы знаем из второго закона Ньютона, что тело остаётся в покое, если на него не действуют силы или действие сил скомпенсировано. Следовательно, действие на камень силы тяжести $m · \overrightarrow{g}$ должно компенсироваться какой-то другой силой.

Очевидно, что компенсирующая сила направлена против силы тяжести, вертикально вверх, и равна ей по модулю. Эта сила является силой упругости деревянного стола, который деформирован под действием камня. Поскольку деревянный стол очень жёсткий, то величина его деформации так мала (десятые и сотые доли миллиметра), что незаметна для глаз. Поэтому нам кажется, что стол никак не реагирует на поставленную на него массу, в отличие от пружинки, деформация которой явно заметна.

Из второго закона Ньютона можно получить, что сила упругости уравновешивает силу тяжести: ${\overrightarrow{F}}_{упр}=-m · \overrightarrow{g}$. Эту силу упругости называют силой реакции опоры и обозначают $\overrightarrow{N}$. Сила $\overrightarrow{N}$ направлена противоположно вектору $\overrightarrow{g}$, то есть вертикально вверх — перпендикулярно поверхности стола.

Рис. 1: а) сила реакции опоры; б) вес

Рассмотрим теперь ситуацию взаимодействия тела с опорой или подвесом подробнее (рис. 1, б). Поскольку стол действует на камень, то по третьему закону Ньютона и камень действует на стол силой $\overrightarrow{P }=-\overrightarrow{N}$. Сила $\overrightarrow{P}$ называется весом. Обратите внимание, что вес — это не масса в килограммах, а сила, которая измеряется в ньютонах.

Силы веса и реакции опоры противоположно направлены, равны по модулю и изображаются из точки контакта тела с опорой или подвесом (рис. 2).

Рис. 2. Изображение сил реакции опоры и веса

Также в рассмотренных примерах вес камня или груза равен силе тяжести: $\overrightarrow{P }= m · \overrightarrow{g}$.  Это будет верно для любого тела, покоящегося на подвесе (опоре) относительно Земли. Очевидно, что в этом случае точка крепления подвеса (или опора) неподвижна относительно Земли.

Вес тела также будет равен действующей на тело силе тяжести в случае, если тело и подвес (опора) движутся относительно Земли равномерно прямолинейно.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда опора или подвес движутся с ускорением вертикально вверх или вниз. Таких случаев сколько угодно в окружающей жизни и технике. Например, движущийся лифт, качающийся на подвеске автомобиль, летящая вверх ракета или спускающийся парашютист.
 

Пусть подвес или опора движется вверх с ускорением $\overrightarrow{a}$ (рис. 3, сверху слева). В этом случае записывая второй закон Ньютона, вес тела увеличивается:

$P = m · (g + a), \left|\overrightarrow{P}\right| > \left|m\overrightarrow{g}\right|.$

Данное явление называется перегрузка. Перегрузку можно испытывать при подъёме вертикально вверх на лифте. Очень сильную перегрузку испытывают космонавты при старте ракет, поэтому им требуется тщательная физическая подготовка. 

Если подвес или опора движется вниз с ускорением $\overrightarrow{a}$ (рис. 3, сверху справа), то вес тела уменьшается:

$P = m · (g - a), \left|\overrightarrow{P}\right| < \left|m\overrightarrow{g}\right|.$

Подобное можно испытывать при спуске с верхнего этажа на нижний с помощью лифта.

Рис. 3. Связь между силой веса и ускорением

Можно рассмотреть и простые частные случаи. Если тело движется вверх с ускорением равным $\overrightarrow{g}$, то его вес удваивается (рис. 3, снизу слева). 

Если же тело движется вниз с ускорением $\overrightarrow{g}$, то его вес становится равным нулю (рис. 3, снизу справа). Говорят, что тело находится в состоянии невесомости. Невесомость испытывают космонавты на орбитальных станциях, вращающихся вокруг Земли.

Итоги

• Весом тела называют силу, с которой тело действует на опору или подвес, находясь относительно подвеса или опоры в неподвижном состоянии.
• Силой реакции опоры называют силу, с которой опора или подвес действует на тело, находящееся относительно подвеса или опоры в неподвижном состоянии.
• Вес тела, покоящегося на неподвижном относительно Земли подвесе (опоре), равен силе тяжести.
• Если подвес (опора), на котором находится тело, движется с ускорением вверх, то вес тела больше силы тяжести. И наоборот, если подвес (опора) движутся с ускорением вниз, то вес тела меньше силы тяжести.
• Коэффициент перегрузки (перегрузка) — отношение веса тела при перегрузке к силе тяжести, действующей на тело.
• Состояние, при котором вес тела равен нулю, называется невесомостью .