К вопросу о теме "Невесомость"
статья по физике (10 класс) по теме

К вопросу о теме «Невесомость»

Некрасов Александр Григорьевич, учитель физики

Статья относится к разделу : преподавание физики

Цели:

1. Образовательная. Дальнейшее формирование понятия невесомости тела. Рассмотреть некоторые примеры невесомости тела.
2. Развивающая. Совершенствовать умения, активизировать познавательную деятельность учащихся через решение проблем в понимании невесомочти тела.
3. Воспитательная. Прививать культуру умственного труда, аккуратность, умение анализировать, видеть практическую ценность получаемых знаний, продолжить формирование коммуникативных умений.

Вид урока: обзорная лекция.

Класс: 10 – 11.

        Если тело покоится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести уравновешивается силой реакции опоры. При этом в теле возникают внутренние усилия, обусловленных в виде взаимных давлений частиц тела друг на друга. Следуя [1], будем говорить, что тело находится в состоянии весомости. Сила, с которой тело давит на опору (в данном случае горизонтальную) вследствие тяготения, препятствующую его вертикальному падению, иногда называют весом тела (определений веса тела существует достаточно много). Каждый из нас, стоящий на поверхности Земли, ощущает весомость в результате взаимных давлений частей нашего тела друг на друга. При дальнейшем рассмотрении сил, действующих на тело, будем различать так называемые массовые силы и поверхностные. К массовым будем относить силы тяжести, действующие на каждую частицу данного тела. Поверхностными будем называть силами будем называть силы, приложенные к точкам поверхности (силы реакции всевозможных опор, силы тяги, силы трения и т.п.). Важно знать не только величину силы, но и ее направление. Если массовые силы одновременно действуют на каждую частичку тела, то поверхностные силы передаются частицами тела за счет взаимодействия соседних частиц.

        Рассмотрим школьную задачу определения веса тела массой m в лифте, движущемся вертикально с ускорением a. Именно эта задача и приводится для введения понятия невесомости тела. Напомним: если a=g, то тело находится в невесомости (вес тела P=0). Давайте подойдем к этой задаче с точки зрения понятия весомости тела [1]. Пусть R сила реакции опоры дна лифта (самолета, ракеты). Уравнение движения для тела имеет вид:

ma=mg +R.

Ускорение равно

a=g+Rm.

Вычислим внутренние усилия, возникающие в сечении mn, возникающих под действием силы тяжести и реакции опоры. Для этого рассмотрим движение, например, верхней части тела массой m1. На эту часть тела действуют сила тяжести m1g и  сила давления отброшенной части тела, равнодействующую которых обозначим S. Для этой части второй закон Ньютона примет вид

m1a=m1g+S. 

Подставляя в это выражение вектор a, получим

S=m1mR .           (1)

Полученное равенство универсальное, т.к. в него не входит сила тяжести, поэтому оно справедливо и для случая движения в поле тяжести нескольких небесных тел. Разумеется, чтобы к телу можно применить модель материальной точки. Из (1) следует, что при R≠0 в теле возникают внутренние усилия, направленные параллельно поверхностной силе R. При этом тело находится в состоянии весомости. Поскольку a в выражение (1) не входит, то оно справедливо и для покоящегося тела. И в этом случае R=P- весу тела. В движущемся теле, при условии Rусилие в любом сечении будет меньше, чем в состоянии покоя (вес тела уменьшается); если R>P (например, R- реактивная сила вертикально стартующей ракеты), то в любом сечении тела внутреннее усилие будет больше, чем при покое (явление перегрузки). Из (1) следует важный вывод: состояние весомости возможно тогда, когда есть поверхностные силы. Если же тело движется в поле тяготения поступательно и на него действует только сила тяготения (R=0), то, как следует из формулы (1), внутренние усилия в теле не возникают, и оно находится в состоянии невесомости (отметим, что здесь не возникают температурные усилия внутри тела или в результате физических упражнений). Хотя все частички тела имеют ускорение g. Это связано с тем, каждая частица движется с этим ускорением, т.е  движется как свободная частица под действием только силы тяжести и не оказывает на соседние частицы никаких воздействий. В результате тело находится в состоянии невесомости. Таким образом, чтобы тело находилось в состоянии невесомости в поле силы тяжести Земли, необходимо:

1. Размеры тела малы по сравнению с радиусом Земли;
2. На тело действуют только силы тяготения;
3. Тело движется поступательно.

Любое тело, брошенное с поверхности Земли вертикально вверх, под углом к горизонту, горизонтально к поверхности Земли,  в отсутствии сопротивления, будет находиться в состоянии невесомости, если оно будет двигаться поступательно.

        Интересны некоторые эффекты в состоянии невесомости. Рассмотрим пример с жидкостью. В земных условиях жидкость (в состоянии весомости) принимает форму того сосуда, в который она помещена. В условиях невесомости смачивающая жидкость (например, вода), в замкнутом сосуде распределится равномерно по его стенкам. Жидкость же, не смачивающая стенок, под действием молекулярных сил, примет форму шара. Таким образом, состояние невесомости тела в поле тяготения называют такое его состояние, при котором ни действующие на него силы тяготения, ни совершаемое им движения никаких внутренних усилий в теле не вызывают. Наверное, поэтому приятно летать во сне.

Список цитируемой литературы   

1. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. – М.: Наука, 1964. – 478 с.