Каждый из нас ежедневно сталкивается с силой тяжести, даже не задумываясь о ней. Эта невидимая, но неизменно действующая сила удерживает нас на поверхности Земли, определяет поведение объектов в пространстве и даже влияет на работу организма. РБК Life рассказывает, где пригодится знание силы тяжести и по какой формуле ее считают.
Что такое сила тяжести
Сила тяжести — это сила, с которой материальные тела притягиваются к небесным объектам. Ее измеряют в ньютонах (Н).
Обычно понятие силы тяжести раскрывают через притяжение всех материальных тел — газообразных, жидких, твердых — к Земле. Благодаря этой силе водоемы удерживаются в плоскости, подброшенные вверх предметы падают вниз, а молекулы кислорода не улетают в космос.
Формула силы тяжести
Считают силу тяжести по формуле F = m × g, где m — масса объекта (кг), g — ускорение свободного падения (м/с²). Сила тяжести равна произведению массы объекта на ускорение свободного падения.
Значение m обычно указывают в условии задачи. Значение g считается по формуле g = G × (M/R²), где
- G — это гравитационная постоянная, равная 6,67 × 10⁻¹¹ м³/ (кг·с²).
Ускорение свободного падения меняется в зависимости от географической широты места и его высоты над уровнем моря. В задачах, где тело находится на поверхности Земли, используют постоянное среднее значение — 9,8 м/с² [2]. В некоторых случаях, когда допустимо получить приблизительный результат, его округляют до 10 м/с².
Например, нужно рассчитать силу тяжести для штанги массой 90 кг. Рассчитаем силу тяжести по формуле F = m × g. 90 × 9,8 = 882.
Можно посчитать силу тяжести через закон всемирного тяготения по формуле
F = G × (Mm / R²). Применить формулу можно не только для Земли: на других планетах значения будут меняться [1].
При решении задач важно не путать массу с весом. Преподаватель физики в онлайн школе «Сотка» Тимур Нейман пояснил, что масса — то, насколько тяжело изменить скорость тела, то есть неизменное значение. Вес — это давление тела на опору или подвес, оно меняется в зависимости от их наличия. Если опоры или подвеса нет, появляется состояние невесомости, отсутствия веса. Его испытывают, например, космонавты. При этом масса их тел остается той же, что и на Земле.
Масса и вес имеют одинаковое числовое значение, если опора неподвижна или движется прямолинейно, без ускорения. Например, если электронные весы на ровной поверхности показывают 73 кг, это значение одновременно отражает и массу, и вес человека.
Вес — это сила, зависящая от ускорения, с которым тело действует на опору. Он может изменяться при неизменной массе. Например, при движении лифта вверх сила, с которой тело действует на опору, увеличивается — это воспринимается как увеличение веса. Масса тела — например, те же 73 кг — сохраняется [3].
От чего зависит сила тяжести
Сила тяжести зависит от массы тела. Чем она больше, тем больше сила тяжести. Например, сравним силы тяжести книги массой 500 г и книжного шкафа массой 20 кг.
- Переведем граммы в килограммы. 500 г = 0,5 кг.
- Рассчитаем силу тяжести для книги по формуле F = m × g = 0,5 × 9,8 = 4,9.
- Рассчитаем силу тяжести для шкафа по формуле F = m × g = 20 × 9,8 = 196.
- 196 / 4,9 = 40. Получается, сила тяжести, действующая на книжный шкаф, в 40 раз больше, чем на книгу, поскольку масса шкафа в 40 раз больше.
Сила тяжести зависит от высоты тела над поверхностью планеты. В сложных задачах, где тело находится на высоте, силу тяжести считают через закон всемирного тяготения по формуле m × g (h) = G × (Mm/ (R+h) ²), где h — высота над поверхностью земли, g (h) — ускорение свободного падения на высоте по формуле g (h) = gR² / (R+h) ² [1].
На что действует сила тяжести
Сила тяжести действует на:
- Движение объектов. Методист по физике «Онлайн-школы № 1» Константин Веселов рассказал, что это можно отследить при подъеме и спуске автомобиля. Если машина едет в гору, сила тяжести увеличивает сопротивление движению, повышает расход топлива. При спуске сила тяжести ускоряет автомобиль.
- Падение объектов. Без учета сопротивления воздуха все тела падают с одинаковым ускорением. Однако в атмосфере легкие предметы могут падать медленнее из-за сопротивления воздуха.
- Живые организмы. Эксперт Константин Веселов объяснил, что все живое на Земле адаптировалось к существованию гравитации. Например, растения ориентируют в соответствие с гравитацией свой рост: корни растут вниз, а стебли — вверх. В космосе без силы тяжести растениям трудно развиваться, им приходится адаптироваться заново.
Сила тяжести не единственная сила, действующая на тела около поверхности земли. Например, ей может противостоять подъемная сила. Она создается, когда воздух «врезается» в крылья птиц, рассказал эксперт Тимур Нейман. При горизонтальном движении сила тяжести ослабевает как раз из-за подъемной силы, и птицы могут набрать высоту.
Примеры силы тяжести в жизни
Знание силы тяжести может пригодиться в обычной жизни. Преподаватель физики в онлайн-школе «Сотка» Тимур Нейман рассказал, что понимание силы тяжести помогает избежать травм. Например, если сила тяжести слишком велика, люди не пытаются преодолеть ее руками, а используют механизмы для поднятия предметов. А водители грузовиков при остановке на холме подкладывают под колеса упоры, чтобы машина не укатилась вниз под действием силы тяжести.
Знание силы тяжести нужно во многих профессиях. Эксперт Константин Веселов рассказал РБК Life, что инженеры и строители с помощью формулы силы тяжести рассчитывают нагрузки на мосты и здания. Например, при проектировании небоскребов учитывают деформацию материалов под действием измененной на высоте гравитации.
Главное о силе тяжести
- Сила тяжести — это гравитационная сила, с которой небесное тело (например, Земля) притягивает к себе все объекты с массой.
- Сила тяжести измеряется в ньютонах (Н).
- Формула силы тяжести: F = m × g, где m — масса тела, g — ускорение свободного падения (на Земле обычно 9,8 м/с²). Точное значение ускорения свободного падения зависит от географической широты, высоты над уровнем моря и планеты, на которой находится объект.
- Сила тяжести не равна весу: масса — это мера инертности тела, обычно постоянная, а вес — сила давления на опору, которая может меняться в зависимости от условий (например, в лифте или при невесомости).
- В условиях невесомости (например, на орбите) масса сохраняется, но вес отсутствует, что приводит к физиологическим изменениям: потере костной массы, мышечной атрофии, нарушению работы вестибулярного аппарата.
- Наблюдать силу тяжести можно в быту: прыжки, падение предметов, движение воды.
Читайте также:
Макрон заявил о чрезвычайном положении Европы
Кириенко заявил, что анекдот про детей генерала в прошлом для России
Суд отказался снять арест с имущества Александра Галицкого