Сила тяжести обозначение и формула. Что такое сила тяжести и каково ее значение для жизни на земле. Единицы измерения силы

Определение

Под воздействием силы притяжения к Земле все тела падают с одинаковыми по отношению к ее поверхности ускорениями. Такое ускорение называют ускорением свободного падения и обозначают: g. Его величина в системе СИ считается равной g=9,80665 м/с 2 – это так называемое, стандартное значение.

Вышесказанное обозначает то, что в системе отсчета, которая связывается с Землей, на любое тела обладающее массой m действует сила равная:

которая называется силой тяжести.

Если тело находится в состоянии покоя на поверхности Земли, тогда сила тяжести уравновешивается реакцией подвеса или опоры, которая удерживает тело от падения (вес тела).

Различие между силой тяжести и силой притяжения к Земле

Если быть точным, то следует заметить, что в результате неинерциальности системы отсчета, которая связывается с Землей, сила тяжести отличается от силы притяжения к Земле. Ускорение, которое соответствует движению по орбите существенно меньше, чем ускорение, которое связывается с суточным вращением Земли. Система отсчета, связанная с Землей, осуществляет вращение по отношению к инерциальным системам с угловой скоростью =const. Поэтому в случае рассмотрения перемещения тел по отношению к Земле следует учитывать центробежную силу инерции (F in), равную:

где m – масса тела, r – расстояние от оси Земли. Если тело расположено не высоко от поверхности Земли (в сравнении с радиусом Земли), то можно считать, что

где R Z – радиус земли, – широта местности.

В таком случае ускорение свободного падения (g) по отношению к Земле будет определено действием сил: силы притяжения к Земле () и силы инерции (). При этом сила тяжести - есть результирующая этих сил:

Так как сила тяжести сообщает телу, обладающему массой m ускорение равное , то соотношение (1) является справедливым.

Разница между силой тяжести и силой притяжения к Земле небольшая. Так как .

Как и всякая сила, сила тяжести – векторная величина. Направление силы , например, совпадает с направлением нити, натянутой грузом, которое называют направлением отвеса. Сила направлена к центру Земли. Значит, нить отвеса направлена также только на полюсах и экваторе. На других широтах угол отклонения () от направления к центру Земли составляет величину, равную:

Разница между F g -P максимальна на экваторе, она составляет 0,3% от величины силы F g . Так как земной шар является сплюснутым около полюсов, то F g имеет некоторые вариации по широте. Так она у экватора на 0,2% меньше, чем у полюсов. В результате ускорение g изменяется с широтой от 9,780 м/с 2 (экватор) до 9,832 м/с 2 (полюса).

По отношению к инерциальной системе отсчета (например, гелиоцентрической СО) тело в свободном падении будет перемещаться с ускорением (a) отличающимся от g, равным по модулю:

и совпадающим по направлению с направлением силы .

Единицы измерения силы тяжести

Основной единицей измерения силы тяжести в системе СИ является: [P]=H

В СГС: [P]=дин

Примеры решения задач

Пример

Задание. Определите во сколько раз величина силы тяжести на Земле (P 1) больше, чем сила тяжести на Луне (P 2).

Решение. Модуль силы тяжести определяется формулой:

Если имеется в виду сила тяжести на Земле, то в качестве ускорения свободного падения используем величину м/с^2 . Для вычисления силы тяжести на Луне найдем при помощи справочников ускорение свободного падения на этой планете, оно равно 1,6 м/с^2 .

Таким образом, для ответа на поставленный вопрос следует найти отношение:

Проведем вычисления:

Ответ.

Пример

Задание. Получите выражение, которое связывает широту и угол, который образуют вектор силы тяжести и вектор силы притяжения к Земле.

Решение. Угол, который образуется между направлениями силы притяжения к Земле и направлением силы тяжести можно оценить, если рассмотреть рис.1 и применить теорему синусов. На рис.1 изображены: – центробежная сила инерции, которая возникает за счет вращения Земли вокруг оси, – сила тяжести, – сила притяжения тела к Земле. Угол - широта местности на Земле.

«Физика - 10 класс»

Почему Луна движется вокруг Земли?
Что будет, если Луна остановится?
Почему планеты обращаются вокруг Солнца?

В главе 1 подробно говорилось о том, что земной шар сообщает всем телам у поверхности Земли одно и то же ускорение - ускорение свободного падения. Но если земной шар сообщает телу ускорение, то согласно второму закону Ньютона он действует на тело с некоторой силой. Силу, с которой Земля действует на тело, называют силой тяжести . Сначала найдём эту силу, а затем и рассмотрим силу всемирного тяготения.

Ускорение по модулю определяется из второго закона Ньютона:

В общем случае оно зависит от силы, действующей на тело, и его массы. Так как ускорение свободного падения не зависит от массы, то ясно, что сила тяжести должна быть пропорциональна массе:

Физическая величина - ускорение свободного падения, оно постоянно для всех тел.

На основе формулы F = mg можно указать простой и практически удобный метод измерения масс тел путём сравнения массы данного тела с эталоном единицы массы. Отношение масс двух тел равно отношению сил тяжести, действующих на тела:

Это значит, что массы тел одинаковы, если одинаковы действующие на них силы тяжести.

На этом основано определение масс путём взвешивания на пружинных или рычажных весах. Добиваясь того, чтобы сила давления тела на чашку весов, равная силе тяжести, приложенной к телу, была уравновешена силой давления гирь на другую чашку весов, равной силе тяжести, приложенной к гирям, мы тем самым определяем массу тела.

Сила тяжести, действующая на данное тело вблизи Земли, может считаться постоянной лишь на определенной широте у поверхности Земли. Если тело поднять или перенести в место с другой широтой, то ускорение свободного падения, а следовательно, и сила тяжести изменятся.

Сила всемирного тяготения.

Ньютон был первым, кто строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Это сила всемирного тяготения , действующая между любыми телами Вселенной.

Ньютон пришёл к выводу, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы (рис. 3.1) с определённой скоростью, могла бы стать такой, что он вообще никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался бы вокруг неё подобно тому, как планеты описывают в небесном пространстве свои орбиты.

Ньютон нашёл эту причину и смог точно выразить её в виде одной формулы - закона всемирного тяготения.

Так как сила всемирного тяготения сообщает всем телам одно и то же ускорение независимо от их массы, то она должна быть пропорциональна массе того тела, на которое действует:

«Тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них... все планеты тяготеют друг к другу...» И. Ньютон

Но поскольку, например, Земля действует на Луну с силой, пропорциональной массе Луны, то и Луна по третьему закону Ньютона должна действовать на Землю с той же силой. Причём эта сила должна быть пропорциональна массе Земли. Если сила тяготения является действительно универсальной, то со стороны данного тела на любое другое тело должна действовать сила, пропорциональная массе этого другого тела. Следовательно, сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел. Отсюда вытекает формулировка закона всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения:

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной .

Гравитационная постоянная численно равна силе притяжения между двумя материальными точками массой 1 кг каждая, если расстояние между ними равно 1 м. Ведь при массах m 1 = m 2 = 1 кг и расстоянии r = 1 м получаем G = F (численно).

Нужно иметь в виду, что закон всемирного тяготения (3.4) как всеобщий закон справедлив для материальных точек. При этом силы гравитационного взаимодействия направлены вдоль линии, соединяющей эти точки (рис. 3.2, а).

Можно показать, что однородные тела, имеющие форму шара (даже если их нельзя считать материальными точками, рис. 3.2, б), также взаимодействуют с силой, определяемой формулой (3.4). В этом случае r - расстояние между центрами шаров. Силы взаимного притяжения лежат на прямой, проходящей через центры шаров. Такие силы называются центральными . Тела, падение которых на Землю мы обычно рассматриваем, имеют размеры, много меньшие, чем земной радиус (R ≈ 6400 км).

Такие тела можно, независимо от их формы, рассматривать как материальные точки и определять силу их притяжения к Земле с помощью закона (3.4), имея в виду, что r есть расстояние от данного тела до центра Земли.

Брошенный на Землю камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадёт наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадёт дальше». И. Ньютон

Определение гравитационной постоянной.

Теперь выясним, как можно найти гравитационную постоянную. Прежде всего заметим, что G имеет определённое наименование. Это обусловлено тем, что единицы (и соответственно наименования) всех величин, входящих в закон всемирного тяготения, уже были установлены ранее. Закон же тяготения даёт новую связь между известными величинами с определёнными наименованиями единиц. Именно поэтому коэффициент оказывается именованной величиной. Пользуясь формулой закона всемирного тяготения, легко найти наименование единицы гравитационной постоянной в СИ: Н м 2 /кг 2 = м 3 /(кг с 2).

Для количественного определения G нужно независимо определить все величины, входящие в закон всемирного тяготения: обе массы, силу и расстояние между телами.

Трудность состоит в том, что гравитационные силы между телами небольших масс крайне малы. Именно по этой причине мы не замечаем притяжение нашего тела к окружающим предметам и взаимное притяжение предметов друг к другу, хотя гравитационные силы - самые универсальные из всех сил в природе. Два человека массами по 60 кг на расстоянии 1 м друг от друга притягиваются с силой всего лишь порядка 10 -9 Н. Поэтому для измерения гравитационной постоянной нужны достаточно тонкие опыты.

Впервые гравитационная постоянная была измерена английским физиком Г. Кавендишем в 1798 г. с помощью прибора, называемого крутильными весами. Схема крутильных весов показана на рисунке 3.3. На тонкой упругой нити подвешено лёгкое коромысло с двумя одинаковыми грузиками на концах. Рядом неподвижно закреплены два тяжёлых шара. Между грузиками и неподвижными шарами действуют силы тяготения. Под влиянием этих сил коромысло поворачивается и закручивает нить до тех пор, пока возникающая сила упругости не станет равна гравитационной силе. По углу закручивания можно определить силу притяжения. Для этого нужно только знать упругие свойства нити. Массы тел известны, а расстояние между центрами взаимодействующих тел можно непосредственно измерить.

Из этих опытов было получено следующее значение для гравитационной постоянной:

G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 .

Лишь в том случае, когда взаимодействуют тела огромных масс (или по крайней мере масса одного из тел очень велика), сила тяготения достигает большого значения. Например, Земля и Луна притягиваются друг к другу с силой F ≈ 2 10 20 Н.

Зависимость ускорения свободного падения тел от географической широты.

Одна из причин увеличения ускорения свободного падения при перемещении точки, где находится тело, от экватора к полюсам, состоит в том, что земной шар несколько сплюснут у полюсов и расстояние от центра Земли до её поверхности у полюсов меньше, чем на экваторе. Другой причиной является вращение Земли.

Равенство инертной и гравитационной масс.

Самым поразительным свойством гравитационных сил является то, что они сообщают всем телам, независимо от их масс, одно и то же ускорение. Что бы вы сказали о футболисте, удар которого одинаково ускорял бы обыкновенный кожаный мяч и двухпудовую гирю? Каждый скажет, что это невозможно. А вот Земля является именно таким «необыкновенным футболистом» с той только разницей, что действие её на тела не носит характера кратковременного удара, а продолжается непрерывно миллиарды лет.

В теории Ньютона масса является источником поля тяготения. Мы находимся в поле тяготения Земли. В то же время мы также являемся источниками поля тяготения, но в силу того, что наша масса существенно меньше массы Земли, наше поле намного слабее и окружающие предметы на него не реагируют.

Необыкновенное свойство гравитационных сил, как мы уже говорили, объясняется тем, что эти силы пропорциональны массам обоих взаимодействующих тел. Масса тела, которая входит во второй закон Ньютона, определяет инертные свойства тела, т. е. его способность приобретать определённое ускорение под действием данной силы. Это инертная масса m и.

Казалось бы, какое отношение она может иметь к способности тел притягивать друг друга? Масса, определяющая способность тел притягиваться друг к другу, - гравитационная масса m r .

Из механики Ньютона совсем не следует, что инертная и гравитационная массы одинаковы, т. е. что

m и = m r . (3.5)

Равенство (3.5) является непосредственным следствием из опыта. Оно означает, что можно говорить просто о массе тела как о количественной мере как инертных, так и гравитационных его свойств.

Все мы привыкли в жизни употреблять слово сила в сравнительной характеристике, говоря мужчины сильнее женщин, трактор сильнее автомобиля, лев сильнее антилопы.

Сила в физике определяется как мера изменения скорости тела, которое происходит при взаимодействии тел. Если сила является мерой, и мы можем сравнивать приложение различной силы, значит, это физическая величина, которую можно измерить. В каких единицах измеряется сила?

Единицы измерения силы

В честь английского физика Исаака Ньютона, проделавшего огромные исследования в природе существования и использования различных видов силы, за единицу измерения силы в физике принят 1 ньютон (1 Н). Что же такое сила в 1 Н? В физике не выбирают единицы измерения просто так, а делают специальное согласование с теми единицами, которые уже приняты.

Мы знаем из опыта и экспериментов, что если тело покоится и на него действует сила, то тело под действием этой силы меняет свою скорость. Соответственно, для измерения силы выбирали единицу, которая будет характеризовать изменение скорости тела. И не забываем, что есть еще и масса тела, так как известно, что с одинаковой силой воздействие на различные предметы будет различно. Мяч мы можем кинуть далеко, а вот булыжник улетит на гораздо меньшее расстояние. То есть, учтя все факторы, приходим к определению, что сила в 1 Н будет приложена к телу, если тело массой 1 кг под воздействием этой силы меняет свою скорость на 1 м/с за 1 секунду.

Единица измерения силы тяжести

Также нас интересует единица измерения силы тяжести. Так как мы знаем, что Земля притягивает к себе все тела на ее поверхности, значит, существует сила притяжения и ее можно измерить. И опять-таки, мы знаем, что сила притяжения зависит от массы тела. Чем больше масса тела, тем сильнее Земля его притягивает. Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая на тело массой 102 грамма - это 1 Н. А 102 грамма - это приблизительно одна десятая килограмма. А если быть более точным, то если 1 кг разделить на 9,8 частей, то мы как раз и получим приблизительно 102 грамма.

Если на тело массой 102 грамма действует сила 1 Н, то на тело массой 1 кг действует сила 9,8 Н. Ускорение свободного падения обозначают буквой g. И g равно 9,8 Н/кг. Это сила, которая действует на тело массой 1 кг, ускоряя его каждую секунду на 1 м/с. Получается, что тело, падающее с большой высоты, за время полета набирает очень большую скорость. Почему же тогда снежинки и дождевые капли падают довольно спокойно? У них очень маленькая масса, и тянет их к себе земля очень слабо. А сопротивление воздуха для них довольно велико, поэтому они летят к Земле с не очень большой, довольно одинаковой скоростью. А вот метеориты, например, при подлете к Земле набирают очень высокую скорость и при приземлении, образуется приличный взрыв, который зависит от величины и массы метеорита соотвественно.

Одним из четырёх фундаментальных взаимодействий, известных современной физике, является гравитационное взаимодействие. Оно заключается в том, что любые два тела, которые имеют массу, притягиваются друг с другом, с силой, которая прямо пропорциональна произведению этих собственных масс, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Латинское слово gravitas переводится как «тяжесть». Сила тяжести является суммой силы гравитационного притяжения и центробежной силы инерции, действующих на тело.

Действие сил тяжести

Давайте узнаем, каким образом и на что действует сила тяжести? Гравитационное воздействие массы Земли, на тела находящиеся на её поверхности или на небольшом расстоянии от неё, называется «силой тяжести». Сила тяжести действует на атомы тел, находящихся в окрестностях земли, а также на электромагнитное излучение. Влияние гравитации на свет и другие виды этого излучения описывает общая теория относительности.

При вычислении точного значения силы тяжести, а также для ответа на вопрос насчет того, чему равна сила тяжести, учитывают расстояние объекта до центра массы Земли, а также центробежную силу, которая действует на тело вследствие вращения земли (сила Кориолиса). Такие тонкие расчёты проводят, в первую очередь, при подготовке космических проектов, а также при выполнении прецизионных научных экспериментов.

Для приблизительной оценки, которой хватает, в большинстве случаев, чтобы ответить на вопрос, касающийся того, как найти силу тяжести, находится при помощи простой формулы: тяж =m*. g, где тяж – вектор силы тяжести, m – масса тела, – ускорение свободного падения. Модуль этого ускорения обычно принимают равным 9,8 м/с 2 .

Масса и вес

При использовании таких терминов, как сила тяжести, вес и масса люди часто допускают ряд неточностей. Так, силу тяжести иногда путают с весом, а вес – с массой. Внесём ясность в эти вопросы.

Источник силы тяжести – Земля, которая действует на тело, находящееся на её поверхности. Вес – сила, с которой тело действует на опору. Если тело покоится на земле, то вес – сила, с которой оно действует на землю. В этом случае (когда, тело находится в состоянии покоя) согласно третьему закону Ньютона модуль веса равен модулю силы тяжести.

В рамках физики масса является мерой способности тела к гравитационному взаимодействию (а также мерой инерции тела, но к данной теме это отношения не имеет). И, если сила тяжести и вес измеряются в единицах силы – Ньютонах, то масса измеряется в килограммах.

Весы измеряют вес предмета. Соответственно, определить, чему равна сила тяжести, действующая на тело, можно положив тело на весы и оставив его в состоянии покоя. При этом шкала весов проградуирована таким образом, что она показывает массу тела с учётом того, что оно покоится.

Если, стоя на весах, начать раскачиваться на носках, вы увидите, что показания весов меняются. Это происходит потому, что меняется ваш вес. При этом и ваша масса, и сила тяжести, действующая на вас, остаются неизменными.

Более наглядный пример изменения веса – перегрузки, которые испытывают космонавты и лётчики, когда их летательный аппарат движется с ускорением относительно Земли. При этом, опять же, ни масса, ни вес пилотов не меняются.

Тяжести называют силу, с которой Земля притягивает к себе тело, находящееся вблизи ее поверхности.

Явления тяготения можно наблюдать повсеместно в окружающем нас мире. Подброшенный вверх мяч падает вниз, брошенный в горизонтальном направлении камень через некоторое время окажется на земле. Запущенный с Земли скусственный спутник благодаря чвлению тяготения летит не по прямой, а движется вокруг Земли.

Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз, к центру Земли. Она обозначается латинской буквой F т (т - тяжесть). Сила тяжести приложена к центру тяжести тела.

Чтобы найти центр тяжести произвольной формы надо подвесить тело на нити за разные его точки. Точка пересечения всех направлений, отмеченных нитью, будет центром тяжести тела. Центр тяжести тел правильной формы находится в центре симметрии тела, и необязательно, чтобы она принадлежала телу (например, центр симметрии кольца).

Для находящегося вблизи поверхности Земли тела сила тяжести равна:

где - масса Земли , m - масса тела , R - радиус Земли .

Если на тело действует только эта сила (а все другие уравновешены), то оно совершает свободное падение. Ускорение этого свободного падения можно найти, применив второй закон Ньютона :

(2)

Из этой формулы можно сделать вывод, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела m , следовательно, оно одинаково для всех тел. Согласно второму закону Ньютона , сила тяжести может быть определена как произведение массы тела на ускорение (в данном случае - ускорение свободного падения g );

Сила тяжести , действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.

Как и второй закон Ньютона, формула (2) справедлива только в инерциальных системах отсчета. На поверхности Земли инерциальными системами отсчета могут быть только системы, связанные с полюсами Земли, которые не принимают участия в ее суточном вращении. Все остальные точки земной поверхности движутся по окружностям с центростремительными ускорениями и связанные с этими точками системы отсчета неинерциальны.

Из-за вращения Земли ускорение свободного падения на разных широтах различно. Однако, ускорения свободного падения в разных районах земного шара различается очень мало и очень мало отличаются от значения, вычисленного по формуле

Поэтому при грубых расчетах пренебрегают неинерциальносью системы отсчета, связанной с поверхностью Земли, и ускорение свободного падения считают всюду одинаковым.