นักฟิสิกส์น้ำหนักของคุณคืออะไร มวลกายและน้ำหนัก

ในย่อหน้านี้ เราจะเตือนคุณเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ความเร่งสู่ศูนย์กลาง และน้ำหนักตัว

ร่างกายทุกคนบนโลกได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของโลก แรงที่โลกดึงดูดแต่ละวัตถุนั้นถูกกำหนดโดยสูตร

จุดใช้งานอยู่ที่จุดศูนย์ถ่วงของร่างกาย แรงโน้มถ่วง มุ่งลงสู่แนวตั้งเสมอ.

แรงที่วัตถุถูกดึงดูดเข้าสู่โลกภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วงของโลกนั้นเรียกว่า แรงโน้มถ่วง.ตามกฎแรงโน้มถ่วงสากล บนพื้นผิวโลก (หรือใกล้พื้นผิวนี้) วัตถุที่มีมวล m จะถูกกระทำโดยแรงโน้มถ่วง

F เสื้อ =GMm/R 2

โดยที่ M คือมวลของโลก R คือรัศมีของโลก
หากแรงโน้มถ่วงกระทำต่อร่างกาย และแรงอื่นๆ ทั้งหมดสมดุลกัน ร่างกายจะตกอย่างอิสระ ตามกฎข้อที่สองและสูตรของนิวตัน F เสื้อ =GMm/R 2 สูตรจะพบโมดูลความเร่งโน้มถ่วง g

g=F เสื้อ /m=GM/R 2 .

จากสูตร (2.29) จะได้ว่าความเร่งของการตกอย่างอิสระไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวล m ของวัตถุที่ตกลงมา กล่าวคือ สำหรับวัตถุทั้งหมดในสถานที่ที่กำหนดบนโลกมันก็เหมือนกัน จากสูตร (2.29) จะได้ว่า Ft = mg ในรูปแบบเวกเตอร์

F เสื้อ = มก

ในมาตรา 5 มีข้อสังเกตว่าเนื่องจากโลกไม่ใช่ทรงกลม แต่เป็นทรงรีของการปฏิวัติ รัศมีเชิงขั้วของมันจึงน้อยกว่าเส้นศูนย์สูตร จากสูตร F เสื้อ =GMm/R 2 เห็นได้ชัดว่าด้วยเหตุนี้แรงโน้มถ่วงและความเร่งของแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นที่ขั้วโลกจึงมีมากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร

แรงโน้มถ่วงกระทำกับวัตถุทั้งหมดที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลก แต่ไม่ใช่วัตถุทั้งหมดที่ตกลงสู่พื้นโลก สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุจำนวนมากถูกขัดขวางโดยวัตถุอื่น เช่น อุปกรณ์รองรับ ด้ายแขวนลอย ฯลฯ วัตถุที่จำกัดการเคลื่อนไหวของวัตถุอื่นเรียกว่า การเชื่อมต่อภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง พันธะจะเสียรูปและแรงปฏิกิริยาของการเชื่อมต่อที่ผิดรูปตามกฎข้อที่สามของนิวตัน จะทำให้แรงโน้มถ่วงสมดุล

ความเร่งของแรงโน้มถ่วงได้รับผลกระทบจากการหมุนของโลก อิทธิพลนี้อธิบายได้ดังนี้ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวโลก (ยกเว้นสองระบบที่เกี่ยวข้องกับขั้วโลก) พูดอย่างเคร่งครัดไม่ใช่ระบบอ้างอิงเฉื่อย - โลกหมุนรอบแกนของมัน และระบบอ้างอิงดังกล่าวจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยความเร่งสู่ศูนย์กลาง การไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิงนี้แสดงให้เห็นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในความจริงที่ว่าค่าความเร่งของแรงโน้มถ่วงจะแตกต่างกันในสถานที่ต่าง ๆ บนโลกและขึ้นอยู่กับละติจูดทางภูมิศาสตร์ของสถานที่ที่ระบบอ้างอิงเกี่ยวข้องกับ โลกตั้งอยู่ซึ่งสัมพันธ์กับความเร่งของแรงโน้มถ่วงที่กำหนด

การวัดที่ละติจูดต่างกันแสดงให้เห็นว่าค่าตัวเลขของการเร่งความเร็วเนื่องจากแรงโน้มถ่วงแตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้น ด้วยการคำนวณที่ไม่แม่นยำมากนัก เราจึงสามารถละเลยความไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวโลกได้ เช่นเดียวกับความแตกต่างของรูปร่างของโลกจากทรงกลม และสันนิษฐานว่าความเร่งของแรงโน้มถ่วงที่ใดก็ได้ในโลก เท่ากันและเท่ากับ 9.8 m/s 2

จากกฎแรงโน้มถ่วงสากล แรงโน้มถ่วงและความเร่งของแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจะลดลงตามระยะห่างจากโลกที่เพิ่มขึ้น ที่ความสูง h จากพื้นผิวโลก โมดูลัสความเร่งโน้มถ่วงจะถูกกำหนดโดยสูตร

ก.=GM/(R+ชม.) 2.

เป็นที่ยอมรับกันว่าที่ระดับความสูง 300 กิโลเมตร เหนือพื้นผิวโลก ความเร่งของแรงโน้มถ่วงจะน้อยกว่าพื้นผิวโลก 1 เมตร/วินาที2
ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่เปลี่ยนแปลงใกล้โลก (สูงถึงหลายกิโลเมตร) ดังนั้นการตกอย่างอิสระของวัตถุใกล้โลกจึงเป็นการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอ

น้ำหนักตัว. ไร้น้ำหนักและโอเวอร์โหลด

แรงที่วัตถุกระทำต่อการสนับสนุนหรือการระงับเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกเรียกว่า น้ำหนักตัวต่างจากแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อร่างกาย น้ำหนักเป็นแรงยืดหยุ่นที่ใช้กับสิ่งรองรับหรือสิ่งแขวนลอย (เช่น ตัวเชื่อม)

การสังเกตแสดงให้เห็นว่าน้ำหนักของวัตถุ P ซึ่งกำหนดบนสเกลสปริงจะเท่ากับแรงโน้มถ่วง F t ที่กระทำต่อร่างกายก็ต่อเมื่อเกล็ดที่มีร่างกายสัมพันธ์กับโลกอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ในกรณีนี้

Р=F เสื้อ=มก.

หากร่างกายเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่ง น้ำหนักของมันจะขึ้นอยู่กับค่าความเร่งนี้และทิศทางของมันสัมพันธ์กับทิศทางความเร่งของแรงโน้มถ่วง

เมื่อวัตถุถูกแขวนไว้บนมาตราส่วนสปริง แรงสองแรงจะกระทำต่อวัตถุนั้น: แรงโน้มถ่วง F t =mg และแรงยืดหยุ่น F yp ของสปริง หากในกรณีนี้ร่างกายเคลื่อนที่ในแนวตั้งขึ้นหรือลงในแนวตั้งสัมพันธ์กับทิศทางความเร่งของการตกอย่างอิสระ ผลรวมเวกเตอร์ของแรง F t และ F ขึ้นจะให้ผลลัพธ์ ทำให้เกิดการเร่งความเร็วของร่างกาย เช่น

F เสื้อ + F ขึ้น =ma.

ตามคำจำกัดความข้างต้นของแนวคิดเรื่อง "น้ำหนัก" เราสามารถเขียนได้ว่า P = -F yp จากสูตร: F เสื้อ + F ขึ้น =ma. โดยคำนึงถึงว่า Fต =mg ซึ่งเป็นไปตามนั้น mg-ma=-Fใช่ - ดังนั้น P=m(g-a)

แรง Ft และ Fup พุ่งไปตามเส้นตรงแนวตั้งเส้นเดียว ดังนั้น หากความเร่งของร่างกาย a พุ่งลง (เช่น มันเกิดขึ้นพร้อมกันในทิศทางเดียวกับความเร่งของการตกอย่างอิสระ g) ดังนั้นในโมดูลัส

P=ม(ก-ก)

ถ้าความเร่งของร่างกายพุ่งขึ้น (เช่น ตรงข้ามกับทิศทางความเร่งของการตกอย่างอิสระ) แล้ว

P = ม = ม(ก+ก)

ดังนั้น น้ำหนักของวัตถุซึ่งความเร่งสอดคล้องกับทิศทางความเร่งของการตกอย่างอิสระจะน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุที่อยู่นิ่ง และน้ำหนักของวัตถุซึ่งความเร่งตรงข้ามกับทิศทางของความเร่งของการตกอย่างอิสระจึงมีมากกว่า ยิ่งกว่าน้ำหนักของร่างกายที่อยู่นิ่ง เรียกว่าการเพิ่มน้ำหนักตัวที่เกิดจากการเคลื่อนไหวแบบเร่ง โอเวอร์โหลด

ในฤดูใบไม้ร่วงอย่างอิสระ a=g จากสูตร: P=ม(ก-ก)

ตามมาว่าในกรณีนี้ P = 0 คือ ไม่มีน้ำหนัก ดังนั้น หากวัตถุเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น (เช่น ตกอย่างอิสระ) วัตถุเหล่านั้นจะอยู่ในสภาพหนึ่ง ความไร้น้ำหนัก- คุณลักษณะเฉพาะของสถานะนี้คือการไม่มีการเสียรูปและความเครียดภายในร่างกายที่ตกลงมาอย่างอิสระซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงในร่างกายที่อยู่นิ่ง สาเหตุของความไม่มีน้ำหนักของร่างกายก็คือแรงโน้มถ่วงให้ความเร่งที่เท่ากันแก่วัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระและการรองรับ (หรือช่วงล่าง)

ในชีวิตเรามักพูดว่า: "หนัก 5 กิโลกรัม" "หนัก 200 กรัม" และอื่นๆ และในขณะเดียวกันเราก็ไม่รู้ว่าเรากำลังทำผิดเมื่อเราพูดแบบนี้ ทุกคนในหลักสูตรฟิสิกส์ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 ต่างก็ศึกษาแนวคิดเรื่องน้ำหนักตัวกัน แต่การใช้คำจำกัดความบางอย่างอย่างผิดพลาดกลับสับสนวุ่นวายในตัวเราจนลืมสิ่งที่เราได้เรียนรู้ไป และเชื่อว่าน้ำหนักและมวลของร่างกายเป็นหนึ่งเดียวกัน สิ่งเดียวกัน

อย่างไรก็ตามนี่ไม่เป็นความจริง ยิ่งไปกว่านั้น น้ำหนักตัวเป็นค่าคงที่ แต่น้ำหนักตัวสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยลดลงเหลือศูนย์ แล้วจะผิดพลาดอะไรและจะพูดอย่างไรให้ถูกต้อง? ลองคิดดูสิ

น้ำหนักตัวและน้ำหนักตัว: สูตรการคำนวณ

มวลคือการวัดความเฉื่อยของร่างกาย มวลคือวิธีที่ร่างกายตอบสนองต่อแรงกระแทกที่กระทำต่อมวล หรือตัวมันเองส่งผลต่อร่างกายอื่นๆ และน้ำหนักของร่างกายคือแรงที่ร่างกายกระทำต่อแนวรับในแนวนอนหรือแนวดิ่งภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก

มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัม และน้ำหนักตัวก็วัดเป็นนิวตันเช่นเดียวกับแรงอื่นๆ น้ำหนักของวัตถุมีทิศทางเช่นเดียวกับแรงใดๆ และเป็นปริมาณเวกเตอร์ แต่มวลไม่มีทิศทางและเป็นปริมาณสเกลาร์

ลูกศรที่ระบุน้ำหนักตัวในรูปภาพและกราฟจะชี้ลงด้านล่างเสมอ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง

สูตรน้ำหนักตัวในวิชาฟิสิกส์เขียนดังนี้:

โดยที่ m คือมวลกาย

g - ความเร่งโน้มถ่วง = 9.81 m/s^2

แต่ถึงแม้จะเป็นเรื่องบังเอิญกับสูตรและทิศทางของแรงโน้มถ่วง แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแรงโน้มถ่วงและน้ำหนักตัว แรงโน้มถ่วงถูกนำไปใช้กับร่างกาย กล่าวคือ พูดคร่าวๆ มันกดบนร่างกาย และน้ำหนักของร่างกายถูกนำไปใช้กับส่วนรองรับหรือช่วงล่าง นั่นคือ ที่นี่ร่างกายกดบนช่วงล่างหรือส่วนรองรับ

แต่ธรรมชาติของการดำรงอยู่ของแรงโน้มถ่วงและน้ำหนักของร่างกายก็เหมือนกับแรงดึงดูดของโลก พูดอย่างเคร่งครัด น้ำหนักของร่างกายเป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อร่างกาย และเช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง น้ำหนักตัวจะลดลงตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้น

น้ำหนักตัวในแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์

ในภาวะไร้น้ำหนัก น้ำหนักของร่างกายจะเป็นศูนย์ร่างกายจะไม่กดดันส่วนรองรับหรือยืดระบบกันสะเทือนและจะไม่รับน้ำหนักใดๆ อย่างไรก็ตาม มันจะยังมีมวลอยู่ เนื่องจากในการที่จะให้ความเร็วแก่ร่างกายได้นั้น จำเป็นต้องใช้แรงบางอย่าง ยิ่งมวลของร่างกายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ภายใต้เงื่อนไขของดาวเคราะห์ดวงอื่น มวลจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และน้ำหนักของร่างกายจะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ขึ้นอยู่กับความแรงของแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ เราวัดมวลกายด้วยตาชั่งเป็นกิโลกรัม และในการวัดน้ำหนักตัวซึ่งมีหน่วยเป็นนิวตัน คุณสามารถใช้ไดนาโมมิเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์พิเศษสำหรับการวัดแรงได้

ความผิดพลาดและการสลิปแบบไม่สุ่มของนักเรียนค่อนข้างมากเกี่ยวข้องกับความแข็งแกร่งของน้ำหนัก วลี “พลังแห่งน้ำหนัก” นั้นไม่ค่อยคุ้นเคยนักเพราะว่า เรา (ครู ผู้เขียนตำราเรียนและหนังสือปัญหา อุปกรณ์ช่วยสอน และหนังสืออ้างอิง) มีความคุ้นเคยกับการพูดและการเขียน "น้ำหนักตัว" มากขึ้น ดังนั้น วลีนี้จึงพาเราออกจากแนวคิดที่ว่าน้ำหนักคือพลัง และนำไปสู่ความจริงที่ว่าน้ำหนักตัวนั้นสับสนกับน้ำหนักตัว (ในร้านค้าเรามักจะได้ยินคนขอให้ชั่งน้ำหนักสินค้าหลายกิโลกรัม) ข้อผิดพลาดทั่วไปประการที่สองที่นักเรียนทำคือสับสนระหว่างน้ำหนักกับแรงโน้มถ่วง ลองทำความเข้าใจถึงพลังของน้ำหนักในระดับหนังสือเรียนของโรงเรียนกันดีกว่า

ขั้นแรกเรามาดูวรรณกรรมอ้างอิงและพยายามทำความเข้าใจมุมมองของผู้เขียนเกี่ยวกับปัญหานี้ Yavorsky B.M., Detlaf A.A. (1) ในหนังสืออ้างอิงสำหรับวิศวกรและนักศึกษา น้ำหนักของร่างกายคือแรงที่ร่างกายนี้กระทำเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่มีต่อโลกบนที่รองรับ (หรือช่วงล่าง) ที่ยึดร่างกายจากการตกอย่างอิสระ หากร่างกายและส่วนรองรับไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กับโลก น้ำหนักของร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงของมัน ลองถามคำถามไร้เดียงสาสองสามข้อเกี่ยวกับคำจำกัดความ:

1. เรากำลังพูดถึงระบบการรายงานอะไร?

2. มีการรองรับหนึ่งรายการ (หรือการระงับ) หรือหลายรายการ (การรองรับและการระงับ)?

3. ถ้าวัตถุไม่ได้โน้มเข้าหาโลก แต่โน้มไปทางดวงอาทิตย์ มันจะมีน้ำหนักหรือไม่?

4. หากวัตถุในยานอวกาศเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง “เกือบ” ไม่โน้มตัวไปยังสิ่งใดๆ ในอวกาศที่สังเกตได้ มันจะมีน้ำหนักหรือไม่

5. ส่วนรองรับนั้นสัมพันธ์กับขอบฟ้าอย่างไร ระบบกันสะเทือนอยู่ในแนวตั้งในกรณีที่น้ำหนักตัวและแรงโน้มถ่วงเท่ากันหรือไม่?

6. หากวัตถุเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงพร้อมกับการรองรับที่สัมพันธ์กับโลก น้ำหนักของร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงของมันหรือไม่?

ในคู่มืออ้างอิงฟิสิกส์สำหรับผู้ที่เข้ามหาวิทยาลัยและการศึกษาด้วยตนเองโดย B.M. และ Selezneva Yu.A. (2) อธิบายคำถามไร้เดียงสาข้อสุดท้าย โดยปล่อยคำถามแรกไว้โดยไม่มีใครสนใจ

Koshkin N.I. และ Shirkevich M.G. (3) เสนอให้พิจารณาน้ำหนักตัวเป็นปริมาณทางกายภาพของเวกเตอร์ ซึ่งหาได้จากสูตร:

ตัวอย่างด้านล่างจะแสดงให้เห็นว่าสูตรนี้ใช้ได้ในกรณีที่ไม่มีแรงอื่นมากระทำต่อร่างกาย

Kuhling H. (4) ไม่ได้แนะนำแนวคิดเรื่องน้ำหนักแต่อย่างใด โดยระบุในทางปฏิบัติด้วยแรงโน้มถ่วง ในภาพเขียน แรงน้ำหนักจะนำไปใช้กับร่างกาย ไม่ใช่แรงรองรับ

ใน “ครูสอนฟิสิกส์” ยอดนิยมโดย I.L. (5) น้ำหนักของร่างกายถูกกำหนดให้เป็นแรงที่ร่างกายกระทำต่อสิ่งรองรับหรือสิ่งแขวนลอยเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก ในคำอธิบายและตัวอย่างต่อไปนี้ที่ผู้เขียนให้ไว้ คำตอบจะให้เฉพาะคำถามไร้เดียงสาข้อที่ 3 และ 6 เท่านั้น

หนังสือเรียนฟิสิกส์ส่วนใหญ่ให้คำจำกัดความของน้ำหนักที่คล้ายกับคำจำกัดความของผู้แต่ง (1), (2), (5) ไม่มากก็น้อย เมื่อเรียนฟิสิกส์ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 และ 9 สิ่งนี้อาจสมเหตุสมผล ในชั้นเรียนเฉพาะทางครั้งที่ 10 ที่มีคำจำกัดความเช่นนี้ เมื่อแก้ไขปัญหาทั้งชั้นเรียน เราไม่สามารถหลีกเลี่ยงคำถามไร้เดียงสาประเภทต่างๆ ได้ (โดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องพยายามหลีกเลี่ยงคำถามใด ๆ เลย)

ผู้เขียน Kamenetsky S.E. , Orekhov V.P. ใน (6) การแยกความแตกต่างและอธิบายแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงและน้ำหนักตัว พวกเขาเขียนว่าน้ำหนักตัวเป็นแรงที่กระทำต่อสิ่งรองรับหรือช่วงล่าง นั่นคือทั้งหมดที่ ไม่จำเป็นต้องอ่านระหว่างบรรทัด จริงอยู่ผมยังอยากถามว่ามีซัพพอร์ตและช่วงล่างได้กี่ตัวแล้วร่างกายสามารถมีทั้งซัพพอร์ตและช่วงล่างในคราวเดียวได้หรือไม่?

และสุดท้ายเรามาดูคำจำกัดความของน้ำหนักตัวที่กำหนดโดย V.A. Kasyanov (7) ในหนังสือเรียนวิชาฟิสิกส์ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10: “น้ำหนักของร่างกายคือแรงยืดหยุ่นทั้งหมดของร่างกาย ซึ่งทำหน้าที่เมื่อมีแรงโน้มถ่วงในทุกจุดเชื่อมต่อ (ส่วนรองรับ สิ่งแขวนลอย)” หากเราจำได้ว่าแรงโน้มถ่วงมีค่าเท่ากับผลลัพธ์ของแรงสองแรง คือ แรงดึงดูดของโลกและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ โดยมีเงื่อนไขว่าดาวเคราะห์ดวงนี้จะหมุนรอบแกนของมัน หรือแรงเฉื่อยอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเร่ง การเคลื่อนตัวของดาวเคราะห์ดวงนี้แล้ว ย่อมเห็นด้วยกับนิยามนี้ เนื่องจากไม่มีใครหยุดเราจากการจินตนาการถึงสถานการณ์ที่องค์ประกอบหนึ่งของแรงโน้มถ่วงจะไม่สำคัญ เช่น กรณีของยานอวกาศในห้วงอวกาศ และถึงแม้จะสงวนกฎเหล่านี้ไว้ แต่ก็เป็นการดึงดูดที่จะลบการมีอยู่ของแรงโน้มถ่วงที่บังคับออกจากคำจำกัดความ เนื่องจากสถานการณ์เป็นไปได้เมื่อมีแรงเฉื่อยอื่น ๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์หรือแรงคูลอมบ์ของการมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุอื่น ๆ เป็นต้น หรือเราสามารถเห็นด้วยกับการนำแรงโน้มถ่วง "เทียบเท่า" มาใช้ในระบบการรายงานแบบไม่เฉื่อยและให้คำจำกัดความของแรงน้ำหนักสำหรับกรณีที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ของร่างกายกับวัตถุอื่น ๆ ยกเว้นร่างกายที่สร้างแรงโน้มถ่วง แรงดึงดูด การสนับสนุน และการระงับ

แต่มาตัดสินใจว่าเมื่อใดที่น้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงโน้มถ่วงในระบบการรายงานเฉื่อย

สมมติว่าเรามีการสนับสนุนหนึ่งรายการหรือระบบกันสะเทือนหนึ่งรายการ เพียงพอหรือไม่ที่ส่วนรองรับหรือสิ่งแขวนลอยนั้นอยู่กับที่โดยสัมพันธ์กับโลก (เราถือว่าโลกเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย) หรือว่ามันเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง? ลองใช้ส่วนรองรับคงที่ซึ่งทำมุมกับแนวนอน หากส่วนรองรับเรียบร่างกายจะเลื่อนไปตามระนาบเอียงเช่น ไม่พักบนพยุงและไม่ตกอย่างอิสระ และถ้าส่วนรองรับนั้นหยาบพอที่จะให้ร่างกายอยู่นิ่ง ระนาบเอียงก็ไม่มีส่วนรองรับ หรือน้ำหนักของร่างกายไม่เท่ากับแรงโน้มถ่วง (แน่นอน คุณสามารถไปไกลกว่านี้และตั้งคำถามได้ว่า น้ำหนักของร่างกายมีขนาดไม่เท่ากันและไม่ตรงข้ามกับแรงปฏิกิริยาพื้นดินในทิศทางนั้นก็จะไม่มีอะไรจะพูดถึงอีกต่อไป) หากเราถือว่าระนาบเอียงเป็นตัวรองรับ และประโยคในวงเล็บเป็นการประชด ดังนั้นโดยการแก้สมการของกฎข้อที่สองของนิวตัน ซึ่งในกรณีนี้จะเป็นเงื่อนไขสำหรับความสมดุลของวัตถุบนระนาบเอียงด้วย เมื่อเขียนเส้นโครงลงบนแกน Y เราจะได้นิพจน์สำหรับน้ำหนักอื่นที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง:

ดังนั้นในกรณีนี้ ยังไม่เพียงพอที่จะกล่าวว่าน้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงโน้มถ่วงเมื่อร่างกายและส่วนรองรับไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กับโลก

ให้เรายกตัวอย่างด้วยระบบกันสะเทือนและวัตถุที่ไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กับโลก ลูกบอลโลหะที่มีประจุบวกบนด้ายจะถูกวางไว้ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ เพื่อให้ด้ายทำมุมที่แน่นอนกับแนวตั้ง ให้เราหาน้ำหนักของลูกบอลจากเงื่อนไขที่ว่าผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดเท่ากับศูนย์สำหรับวัตถุที่อยู่นิ่ง

ดังที่เราเห็นในกรณีข้างต้น น้ำหนักของร่างกายไม่เท่ากับแรงโน้มถ่วงเมื่อตรงตามเงื่อนไขของการไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ของการรองรับ ระบบกันสะเทือน และร่างกายที่สัมพันธ์กับโลก ลักษณะเฉพาะของกรณีข้างต้นคือการมีอยู่ของแรงเสียดทานและแรงคูลอมบ์ ตามลำดับ ซึ่งการมีอยู่จริงนำไปสู่ความจริงที่ว่าร่างกายถูกกันไม่ให้เคลื่อนที่ สำหรับระบบกันสะเทือนในแนวตั้งและการรองรับในแนวนอน ไม่จำเป็นต้องใช้แรงเพิ่มเติมเพื่อป้องกันไม่ให้ร่างกายเคลื่อนที่ ดังนั้น สำหรับสภาพที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ของส่วนรองรับ ระบบกันสะเทือน และตัวถังที่สัมพันธ์กับพื้นโลก เราสามารถเสริมได้ว่าส่วนรองรับนั้นเป็นแนวนอน และระบบกันสะเทือนนั้นเป็นแนวตั้ง

แต่การเพิ่มนี้จะแก้ปัญหาของเราได้หรือไม่ แท้จริงแล้ว ในระบบที่มีระบบกันสะเทือนในแนวตั้งและการรองรับในแนวนอน แรงสามารถทำหน้าที่ลดหรือเพิ่มน้ำหนักของร่างกายได้ สิ่งเหล่านี้อาจเป็นแรงอาร์คิมีดีส เป็นต้น หรือแรงคูลอมบ์ที่พุ่งในแนวตั้ง เราจะสรุปเกี่ยวกับแนวรับหรือระบบกันสะเทือนแบบหนึ่ง: น้ำหนักของร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงเมื่อร่างกายและระบบรองรับ (หรือระบบกันสะเทือน) อยู่นิ่ง (หรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง) สัมพันธ์กับโลก และมีเพียงปฏิกิริยาเท่านั้น แรงรองรับ (หรือแรงยืดหยุ่นของช่วงล่าง) และแรงที่กระทำต่อแรงโน้มถ่วงของร่างกาย ในทางกลับกัน การไม่มีแรงอื่นๆ จะถือว่าส่วนรองรับอยู่ในแนวนอนและระบบกันสะเทือนอยู่ในแนวตั้ง

ขอให้เราพิจารณากรณีที่วัตถุที่มีส่วนรองรับและ/หรือสารแขวนลอยหลายอย่างอยู่นิ่ง (หรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงโดยสัมพันธ์กับพื้นโลก) และไม่มีแรงอื่นใดมากระทำกับวัตถุนั้น ยกเว้นแรงปฏิกิริยาของส่วนรองรับ แรงยืดหยุ่นของ สารแขวนลอยและแรงดึงดูดของโลก การใช้คำจำกัดความของแรงน้ำหนักโดย Kasyanov V.A. (7) เราจะหาแรงยืดหยุ่นรวมของการเชื่อมต่อของร่างกายในกรณีแรกและกรณีที่สองที่แสดงในภาพ ผลรวมเรขาคณิตของแรงยืดหยุ่นของพันธะ เอฟในโมดูลัสเท่ากับน้ำหนักของร่างกายตามสภาวะสมดุลจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงและตรงข้ามกับทิศทางนั้นและมุมเอียงของระนาบถึงขอบฟ้าและมุมเบี่ยงเบนของ การระงับจากแนวตั้งไม่ส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์สุดท้าย

ลองพิจารณาตัวอย่าง (รูปด้านล่าง) เมื่อวัตถุในระบบหยุดนิ่งสัมพันธ์กับโลก ร่างกายจะมีส่วนรองรับและช่วงล่าง และไม่มีแรงอื่นใดมากระทำในระบบ ยกเว้นแรงของการเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น ผลลัพธ์จะคล้ายกับข้างต้น น้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงโน้มถ่วง

ดังนั้น หากวัตถุอยู่บนสิ่งรองรับและ (หรือ) สิ่งแขวนลอยหลายจุด และอยู่นิ่งกับสิ่งเหล่านั้น (หรือเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง) สัมพันธ์กับโลก โดยที่ไม่มีแรงอื่นใดนอกจากแรงโน้มถ่วงและพลังความยืดหยุ่นของจุดเชื่อมต่อของมัน น้ำหนักเท่ากับแรงโน้มถ่วง ในเวลาเดียวกันตำแหน่งของส่วนรองรับและไม้แขวนเสื้อในอวกาศและจำนวนจะไม่ส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์สุดท้าย

ลองพิจารณาตัวอย่างการค้นหาน้ำหนักตัวในระบบการรายงานที่ไม่เฉื่อย

ตัวอย่างที่ 1จงหาน้ำหนักของวัตถุที่มีมวล m ที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ในยานอวกาศด้วยความเร่ง กในพื้นที่ "ว่างเปล่า" (ห่างไกลจากวัตถุขนาดใหญ่อื่น ๆ ที่ไม่สามารถละเลยแรงโน้มถ่วงของพวกมันได้)

ในกรณีนี้ แรงสองแรงกระทำต่อร่างกาย: แรงเฉื่อยและแรงปฏิกิริยารองรับ หากความเร่งในขนาดเท่ากับความเร่งของแรงโน้มถ่วงบนโลก น้ำหนักของร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วงบนโลก และนักบินอวกาศจะรับรู้ธนูของเรือเป็นเพดานและหาง เป็นพื้น

แรงโน้มถ่วงเทียมที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้สำหรับนักบินอวกาศภายในเรือจะไม่แตกต่างจากแรงโน้มถ่วงของโลก "ของจริง"

ในตัวอย่างนี้ เราละเลยองค์ประกอบแรงโน้มถ่วงของแรงโน้มถ่วงเนื่องจากมีขนาดเล็ก จากนั้นแรงเฉื่อยบนยานอวกาศจะเท่ากับแรงโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้ เราจึงตกลงกันว่าสาเหตุของน้ำหนักตัวในกรณีนี้คือแรงโน้มถ่วง

กลับสู่โลกกันเถอะ

ตัวอย่างที่ 2

สัมพันธ์กับพื้นด้วยความเร่ง กรถเข็นกำลังเคลื่อนที่โดยที่ตัวถังติดอยู่กับด้ายมวล m ซึ่งเบี่ยงเบนไปจากแนวตั้ง หาน้ำหนักตัวละเลยแรงต้านของอากาศ

ปัญหาเกิดขึ้นกับระบบกันสะเทือนเดียว ดังนั้น น้ำหนักจึงมีขนาดเท่ากับแรงยืดหยุ่นของด้าย

ดังนั้น คุณสามารถใช้สูตรใดก็ได้ในการคำนวณแรงยืดหยุ่น และน้ำหนักของร่างกาย (หากแรงต้านอากาศมีขนาดใหญ่เพียงพอ ก็จะต้องนำมาพิจารณาเป็นคำศัพท์ของแรงเฉื่อย)

เรามาทำงานกับสูตรกันดีกว่า

ดังนั้น ด้วยการแนะนำแรงโน้มถ่วง "เท่ากัน" เราสามารถระบุได้ว่าในกรณีนี้ น้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงโน้มถ่วง "เท่ากัน" และสุดท้าย เราก็สามารถให้สูตรการคำนวณได้สามสูตร:

ตัวอย่างที่ 3

จงหาน้ำหนักของนักแข่งรถที่มีมวล m ในรถที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง กรถ.

เมื่อเร่งความเร็วสูง แรงปฏิกิริยาของส่วนรองรับพนักพิงเบาะหลังจะมีนัยสำคัญ และเราจะนำมาพิจารณาในตัวอย่างนี้ แรงยืดหยุ่นรวมของจุดเชื่อมต่อจะเท่ากับผลรวมทางเรขาคณิตของแรงปฏิกิริยารองรับทั้งสอง ซึ่งจะมีขนาดเท่ากันและตรงข้ามกับผลรวมเวกเตอร์ของแรงเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง สำหรับปัญหานี้ เราจะพบโมดูลของแรงน้ำหนักโดยใช้สูตร:

ความเร่งโน้มถ่วงมีประสิทธิผลพบเหมือนในปัญหาที่แล้ว

ตัวอย่างที่ 4

ลูกบอลบนเส้นมวล m ถูกตรึงบนแท่นที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ ω ที่ระยะห่าง r จากศูนย์กลาง หาน้ำหนักของลูกบอล.

การค้นหาน้ำหนักตัวในระบบการรายงานแบบไม่เฉื่อยในตัวอย่างที่ให้มาแสดงให้เห็นว่าสูตรน้ำหนักตัวที่ผู้เขียนเสนอใน (3) ทำงานได้ดีเพียงใด เรามาทำให้สถานการณ์ซับซ้อนขึ้นเล็กน้อยในตัวอย่างที่ 4 สมมติว่าลูกบอลมีประจุไฟฟ้าและแท่นพร้อมกับเนื้อหาอยู่ในสนามไฟฟ้าแนวตั้งสม่ำเสมอ ลูกบอลมีน้ำหนักเท่าไหร่? น้ำหนักของร่างกายจะลดลงหรือเพิ่มขึ้น ขึ้นอยู่กับทิศทางของแรงคูลอมบ์:

มันเกิดขึ้นที่คำถามเรื่องน้ำหนักโดยธรรมชาติแล้วมาอยู่ที่คำถามเรื่องแรงโน้มถ่วง ถ้าเรานิยามแรงโน้มถ่วงอันเป็นผลจากแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงต่อดาวเคราะห์ (หรือวัตถุขนาดใหญ่อื่น ๆ) และความเฉื่อย โดยคำนึงถึงหลักการของความเท่าเทียม โดยทิ้งต้นกำเนิดของแรงเฉื่อยไว้ในหมอก แล้วองค์ประกอบของแรงโน้มถ่วงทั้งสองหรืออย่างใดอย่างหนึ่งอย่างน้อยก็จะทำให้เกิดน้ำหนักตัว หากในระบบพร้อมกับแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วง แรงเฉื่อยและแรงเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น มีปฏิกิริยาอื่น ๆ พวกมันก็จะสามารถเพิ่มหรือลดน้ำหนักของร่างกายได้ นำไปสู่สภาวะที่น้ำหนักของ ร่างกายจะเท่ากับศูนย์ และการโต้ตอบอื่นๆ เหล่านี้อาจทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นได้ในบางกรณี มาชาร์จลูกบอลบนด้ายที่ไม่นำไฟฟ้าบางๆ ในยานอวกาศที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงในพื้นที่ "ว่างเปล่า" อันห่างไกล (เราจะละเลยแรงโน้มถ่วงเนื่องจากมีขนาดเล็ก) ให้เราวางลูกบอลไว้ในสนามไฟฟ้า ด้ายจะยืดออก น้ำหนักจะปรากฏขึ้น

เมื่อสรุปสิ่งที่กล่าวมา เราสรุปได้ว่าน้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงโน้มถ่วง (หรือแรงโน้มถ่วงที่เทียบเท่า) ในระบบใดๆ ที่ไม่มีแรงอื่นมากระทำต่อร่างกาย ยกเว้นแรงโน้มถ่วง ความเฉื่อย และความยืดหยุ่นของ การเชื่อมต่อ แรงโน้มถ่วงหรือแรงโน้มถ่วง "เทียบเท่า" มักเป็นสาเหตุของแรงน้ำหนัก แรงของน้ำหนักและแรงโน้มถ่วงมีลักษณะที่แตกต่างกันและนำไปใช้กับวัตถุที่แตกต่างกัน

อ้างอิง.

1. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. คู่มือฟิสิกส์สำหรับวิศวกรและนักศึกษามหาวิทยาลัย M. , Nauka, 1974, 944 p.

2. Yavorsky B.M., Selezneva Yu.A. คู่มืออ้างอิงฟิสิกส์สำหรับ

การเข้ามหาวิทยาลัยและการศึกษาด้วยตนเอง, M., Nauka, 1984, 383 p.

3. Koshkin N.I. , Shirkevich M.G. คู่มือฟิสิกส์เบื้องต้น, M., Nauka, 1980, 208 p.

4. Kuhling H. คู่มือฟิสิกส์, M., Mir, 1983, 520 p.

5. Kasatkina I.L. ครูสอนฟิสิกส์ ทฤษฎี. กลศาสตร์. ฟิสิกส์โมเลกุล อุณหพลศาสตร์ แม่เหล็กไฟฟ้า Rostov-on-Don, ฟีนิกซ์, 2546, 608 หน้า

6. Kamenetsky S.E. , Orekhov V.P. วิธีการแก้ปัญหาฟิสิกส์ในโรงเรียนมัธยมศึกษา, M., Prosveshchenie, 1987, 336 p.

7. Kasyanov V.A. ฟิสิกส์. ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10, M., Bustard, 2002, 416 p.

วันนี้เราจะยกหัวข้อที่ดูเหมือนไม่มีนัยสำคัญ แต่จริงๆ แล้วสำคัญมาก กล่าวคือเราจะดูความแตกต่างระหว่างมวลและน้ำหนัก ผู้สำเร็จการศึกษาจะรู้ดีว่าน้ำหนักและมวลไม่ใช่สิ่งเดียวกัน แต่แม้แต่นักฟิสิกส์ที่มีตำแหน่งมากที่สุดก็จะไม่บอกผู้ขายว่า: "ขอแอปเปิ้ลหนึ่งกิโลกรัมให้ฉัน" เขาจะพูดว่า "ชั่งน้ำหนัก" ซึ่งหมายถึงปริมาณของผลิตภัณฑ์แอปเปิล ไม่ใช่ความหนักหน่วง ให้เราเปิดเผยความลึกลับของสถานการณ์นี้

มาดูหนังสือเรียนฟิสิกส์กันดีกว่า

น้ำหนักคือแรง ซึ่งเป็นปริมาณที่แปรผันได้ ซึ่งมีหน่วยวัดเป็นนิวตัน ซึ่งหมายถึงผลกระทบต่อการรองรับของวัตถุที่วางอยู่หรือแรงตึงของสารแขวนลอย มวลคือปริมาณของสารภายในร่างกาย คำนวณเป็นกิโลกรัม ตัน ปอนด์ ฯลฯ และเป็นค่าคงที่

สำหรับวัตถุที่อยู่นิ่ง ค่าของพารามิเตอร์เหล่านี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรง เมื่อชั่งน้ำหนัก จะมีการกำหนดแรงที่ผลิตภัณฑ์กดบนขาตั้ง และจอแสดงผลจะแสดงมวลของผลิตภัณฑ์ สะดวกมากสำหรับผู้ขายและผู้ซื้อ

ความแตกต่างเกิดขึ้นเมื่อใด?

• ยิ่งอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของโลก ค่า g ยิ่งเล็กลง และตัววัตถุก็จะยิ่งเบาลง
• ความเฉื่อย. เมื่อเครื่องบินหรือจรวดขึ้นบิน นักบินจะต้องเผชิญกับภาระหนักเกินไป ความเฉื่อยของการสตาร์ทถูกเพิ่มเข้าไปในแรงโน้มถ่วง และความกดดันบนตัวรองรับ (เก้าอี้) เพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่อลิฟต์เคลื่อนลง ผู้โดยสารจะเบาลงและมีแรงกดบนพื้นน้อยลง
• วัตถุที่ตกลงมาจะไม่มีน้ำหนักใดๆ เนื่องจาก K = g - g = 0 นี่คือสภาวะไร้น้ำหนัก แม้ว่ามวลจะยังคงเท่าเดิมก็ตาม
• ภายใต้เงื่อนไขของดาวเคราะห์ดวงอื่น แรงโน้มถ่วงจะเปลี่ยนไป บนดวงจันทร์ g=1.62 และบนดาวอังคาร 3.86 วัตถุเดียวกันบนดวงจันทร์นั้นเบากว่า 6 เท่าบนดาวอังคาร - เบากว่าภายใต้สภาพพื้นดิน 2.5 เท่า

ทำไมความสับสนจึงเกิดขึ้น?

บุคคลรับรู้โลกผ่านความรู้สึก เราไม่สามารถรู้สึกถึงมวล แต่เรารู้สึกถึงน้ำหนักได้ หญิงสาวกำลังถือหนังสืออยู่ ในกรณีนี้ฝ่ามือเป็นตัวรองรับ หนังสือกดมือต่อต้าน ผู้อ่านรู้สึกถึงความพยายามที่จะถือหนังสือ ปฏิกิริยาเป็นวิธีเดียวในการกำหนดมวลที่ธรรมชาติมอบให้เรา ดังนั้นเหตุผลในการทดแทนแนวคิดความแตกต่างระหว่างบรรทัดฐานของภาษาและปรากฏการณ์ทางกายภาพ

ฉันมักจะเจอความจริงที่ว่าผู้คนไม่เข้าใจความแตกต่างระหว่างน้ำหนักและมวล โดยทั่วไปสิ่งนี้เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ เนื่องจากเราใช้ชีวิตทั้งชีวิตในสนามโน้มถ่วงที่ไม่สิ้นสุดของโลก และปริมาณเหล่านี้เชื่อมโยงกันตลอดเวลาสำหรับเรา และการเชื่อมต่อนี้ได้รับการเสริมกำลังทางภาษาด้วยความจริงที่ว่าเราค้นหามวลด้วยความช่วยเหลือของตาชั่ง "ชั่งน้ำหนัก" ตัวเราเองหรือพูดอาหารในร้านค้า
แต่เรายังคงพยายามแก้ให้หายยุ่งกับแนวคิดเหล่านี้

เราจะไม่ลงรายละเอียดปลีกย่อย (เช่น g ที่แตกต่างกันในสถานที่ต่างๆ บนโลก และอื่นๆ) ฉันต้องการทราบว่าทั้งหมดนี้รวมอยู่ในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียนแล้ว ดังนั้นหากคุณเข้าใจสิ่งต่อไปนี้ทั้งหมดอย่าสาบานกับผู้ที่ไม่เข้าใจสิ่งเหล่านี้และในเวลาเดียวกันกับผู้ที่ตัดสินใจ เพื่ออธิบายเรื่องนี้เป็นครั้งที่ร้อย) ฉันหวังว่าจะมีคนที่บันทึกนี้จะช่วยเสริมความเข้าใจในโลกรอบตัวพวกเขา

ไปกันเลย มวลของร่างกายเป็นการวัดความเฉื่อยของมัน นั่นคือการวัดความยากในการเปลี่ยนความเร็วของร่างกายนี้ในขนาด (เร่งหรือลดความเร็ว) หรือในทิศทาง ในระบบ SI มีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม (kg) มักจะแสดงด้วยตัวอักษร ม. มันเป็นตัวแปรที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ไม่ว่าจะบนโลกหรือในอวกาศ

แรงโน้มถ่วงวัดเป็นหน่วย SI ในหน่วยนิวตัน (N) นี่คือแรงที่โลกดึงดูดวัตถุ และมีค่าเท่ากับผลคูณ m*g ค่าสัมประสิทธิ์ g คือ 10 m/s2 เรียกว่าความเร่งของแรงโน้มถ่วง ด้วยความเร่งนี้ วัตถุเริ่มเคลื่อนที่สัมพันธ์กับพื้นผิวโลก โดยปราศจากการรองรับ (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากร่างกายเริ่มต้นจากสถานะหยุดนิ่ง ความเร็วของมันจะเพิ่มขึ้น 10 เมตรต่อวินาที)

ตอนนี้ให้พิจารณาร่างที่มีมวล m นอนนิ่งอยู่บนโต๊ะ ถ้าให้เจาะจง ให้มวลเป็น 1 กิโลกรัม วัตถุนี้ถูกกระทำในแนวตั้งลงในแนวตั้งด้วยแรงโน้มถ่วง mg (แนวตั้งนั้นถูกกำหนดอย่างแม่นยำโดยทิศทางของแรงโน้มถ่วง) เท่ากับ 10 นิวตัน ในระบบทางเทคนิคของหน่วย แรงนี้เรียกว่าแรงกิโลกรัม (kgf)

ตารางไม่อนุญาตให้ร่างกายของเราเร่งความเร็วโดยกระทำกับมันด้วยแรง N พุ่งขึ้นในแนวตั้ง (การดึงแรงนี้จากโต๊ะนั้นถูกต้องมากกว่า แต่เพื่อไม่ให้เส้นทับซ้อนกันฉันจะวาดจากศูนย์กลางของ ร่างกาย):

N เรียกว่าแรงปฏิกิริยารองรับ ซึ่งช่วยรักษาสมดุลของแรงโน้มถ่วง (ในกรณีนี้มีขนาดเท่ากับ 10 นิวตันเท่ากัน) เพื่อให้แรงลัพธ์ F (ผลรวมของแรงทั้งหมด) เท่ากับศูนย์: F = mg - N = 0.

และเราเห็นว่าแรงมีความสมดุลจากกฎข้อที่สองของนิวตัน F = m*a ซึ่งถ้าความเร่งของร่างกาย a เป็นศูนย์ (นั่นคือ แรงนั้นอยู่นิ่งอย่างในกรณีของเรา หรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง) แล้วแรงลัพธ์ F ก็เป็นศูนย์เช่นกัน

ในที่สุดเราก็บอกได้ว่าน้ำหนักคืออะไร - นี่คือแรงที่ร่างกายกระทำบนขาตั้งหรือช่วงล่าง ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงนี้อยู่ตรงข้ามกับแรง N และมีค่าเท่ากับแรงนั้นในค่าสัมบูรณ์ นั่นคือในกรณีนี้จะเท่ากับ 10 N = 1 kgf สำหรับคุณแล้วดูเหมือนว่าทั้งหมดนี้ซับซ้อนโดยไม่จำเป็นและคุณควรจะพูดทันทีว่าน้ำหนักและแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งเดียวกันใช่ไหม ท้ายที่สุดแล้วพวกมันเกิดขึ้นพร้อมกันทั้งในทิศทางและขนาด

ไม่ จริงๆ แล้วมีความแตกต่างกันอย่างมาก แรงโน้มถ่วงกระทำอย่างต่อเนื่อง น้ำหนักเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร่งของร่างกาย ลองยกตัวอย่าง

1. คุณสตาร์ทด้วยลิฟต์ความเร็วสูง (ความเร็วสูงเพื่อให้ระยะการเร่งความเร็วน่าประทับใจ/สังเกตได้ชัดเจนยิ่งขึ้น) มวลของคุณคือ 70 กิโลกรัม (คุณสามารถคำนวณตัวเลขด้านล่างทั้งหมดสำหรับมวลของคุณใหม่ได้) น้ำหนักของคุณในลิฟต์แบบอยู่กับที่ (ก่อนสตาร์ท) คือ 700 N (หรือ 70 kgf) ในขณะที่เร่งความเร็วขึ้น แรง F ที่เกิดขึ้นจะพุ่งขึ้นด้านบน (ซึ่งสิ่งนี้จะทำให้คุณเร่งความเร็วขึ้น) แรงปฏิกิริยา N จะเกินแรงโน้มถ่วง mg และเนื่องจากน้ำหนักของคุณ (แรงที่คุณกระทำบนพื้นของ ลิฟต์) เกิดขึ้นพร้อมกันในค่าสัมบูรณ์กับ N คุณจะพบกับสิ่งที่เรียกว่าโอเวอร์โหลด หากลิฟต์เร่งความเร็วด้วยความเร่ง g คุณจะพบกับน้ำหนัก 140 kgf ซึ่งก็คือแรง g เท่ากับ 2 กรัม หรือ 2 เท่าของน้ำหนักขณะพัก ในความเป็นจริง ในการทำงานปกติ การโอเวอร์โหลดดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นในลิฟต์ โดยปกติแล้ว ความเร่งจะไม่เกิน 1 m/s2 ซึ่งทำให้เกิดการโอเวอร์โหลดเพียง 1.1 กรัม น้ำหนักในกรณีของเราจะอยู่ที่ 77 กิโลกรัม เมื่อลิฟต์เร่งความเร็วถึงความเร็วที่ต้องการ ความเร่งจะเป็นศูนย์ และน้ำหนักจะกลับไปอยู่ที่ 70 กิโลกรัมเริ่มต้น เมื่อลดความเร็วลง ในทางกลับกัน น้ำหนักจะลดลง และถ้าความเร่งในค่าสัมบูรณ์คือ 1 m/s2 น้ำหนักเกินจะเท่ากับ 0.9 กรัม เมื่อเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม (ลง) สถานการณ์จะกลับกัน: เมื่อเร่งความเร็วน้ำหนักจะลดลงในส่วนที่สม่ำเสมอน้ำหนักจะกลับคืนมาและเมื่อชะลอตัวลงน้ำหนักจะเพิ่มขึ้น

2. คุณกำลังวิ่งและน้ำหนักขณะพักยังคงอยู่ที่ 70 กก. ในขณะที่วิ่ง เมื่อคุณดันตัวออกจากพื้น น้ำหนักของคุณจะเกิน 70 กก. และในขณะที่คุณกำลังบิน (ขาข้างหนึ่งหลุดจากพื้น อีกข้างยังไม่ได้สัมผัส) น้ำหนักของคุณจะเป็นศูนย์ (เนื่องจากคุณไม่ได้ส่งผลต่อขาตั้งหรือไม้กันสั่น) นี่คือภาวะไร้น้ำหนัก จริงอยู่มันค่อนข้างสั้น ดังนั้นการวิ่งจึงเป็นการสลับระหว่างการโอเวอร์โหลดและการไร้น้ำหนัก

ฉันขอเตือนคุณว่าแรงโน้มถ่วงในตัวอย่างนี้ไม่ได้หายไป ไม่เปลี่ยนแปลง และเป็น 70 กิโลกรัม f = 700 นิวตันที่ “หามาได้ยาก” ของคุณ

ทีนี้มาขยายระยะภาวะไร้น้ำหนักออกไปอีก: ลองจินตนาการว่าคุณอยู่บน ISS (สถานีอวกาศนานาชาติ) ในเวลาเดียวกัน เรายังไม่ได้กำจัดแรงโน้มถ่วง - มันยังคงกระทำต่อคุณ - แต่เนื่องจากทั้งคุณและสถานีอยู่ในการเคลื่อนที่ในวงโคจรเดียวกัน คุณจึงไม่มีน้ำหนักเมื่อเทียบกับ ISS คุณสามารถจินตนาการว่าตัวเองอยู่ที่ไหนสักแห่งในอวกาศได้ เพียงแต่ ISS นั้นจะดูสมจริงกว่านี้เล็กน้อย)

ปฏิสัมพันธ์ของคุณกับวัตถุจะเป็นอย่างไร? มวลของคุณคือ 70 กก. คุณถือวัตถุที่มีน้ำหนัก 1 กก. ไว้ในมือแล้วโยนทิ้งไปจากคุณ ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม วัตถุขนาด 1 กิโลกรัมจะได้รับความเร็วหลัก เนื่องจากมีมวลน้อยกว่า และการขว้างจะอยู่ที่ประมาณ "แสง" เช่นเดียวกับบนโลก แต่ถ้าคุณพยายามผลักวัตถุที่มีน้ำหนัก 1,000 กิโลกรัมออกไป คุณจะผลักตัวเองออกจากวัตถุนั้นจริงๆ เนื่องจากในกรณีนี้ คุณจะได้รับความเร็วหลักด้วยตัวเอง และเพื่อเร่งความเร็ว 70 กิโลกรัม คุณจะต้องพัฒนากำลังให้มากขึ้น หากต้องการจินตนาการคร่าวๆ ว่าเป็นอย่างไร คุณสามารถขึ้นไปบนกำแพงแล้วดันออกจากกำแพงด้วยมือได้

ตอนนี้คุณได้ออกจากสถานีออกสู่อวกาศแล้วและต้องการจัดการกับวัตถุขนาดใหญ่ ให้มวลมันเป็นห้าตัน

พูดตามตรง ฉันจะระมัดระวังอย่างมากในการจัดการกับวัตถุน้ำหนักห้าตัน ใช่ ความไร้น้ำหนัก และทั้งหมดนั้น แต่ความเร็วเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ ISS ก็เพียงพอที่จะกดนิ้วของคุณหรืออะไรที่ร้ายแรงกว่านี้ได้ ห้าตันนี้เคลื่อนย้ายได้ยาก: เพื่อเร่งความเร็วเพื่อหยุด

และฉันไม่ต้องการที่จะจินตนาการระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีน้ำหนัก 100 ตันตามที่มีคนแนะนำ การเคลื่อนไหวที่กำลังจะมาถึงเพียงเล็กน้อยจากพวกเขาและพวกเขาจะบดขยี้คุณอย่างง่ายดาย สมบูรณ์ มีลักษณะเฉพาะ ไร้น้ำหนัก)

และสุดท้าย หากคุณบินไปรอบๆ ISS อย่างมีความสุขแล้วชนกำแพง/กำแพง คุณจะเจ็บแบบเดียวกับที่คุณวิ่งด้วยความเร็วเท่ากันแล้วชนกำแพง/วงกบในอพาร์ตเมนต์ของคุณ เนื่องจากการกระแทกทำให้ความเร็วของคุณลดลง (นั่นคือ มันให้ความเร่งติดลบ) และมวลของคุณก็จะเท่ากันในทั้งสองกรณี ซึ่งหมายความว่าตามกฎข้อที่สองของนิวตัน อิทธิพลจะเป็นสัดส่วน

ฉันดีใจที่ในภาพยนตร์เกี่ยวกับอวกาศ ("Gravity", "Interstellar", ซีรีส์ "The Expanse") มีความสมจริงมากขึ้นเรื่อยๆ (แม้ว่าจะไม่ใช่ไม่มีข้อบกพร่องเหมือนที่ George Clooney บินหนีจาก Sandra Bullock อย่างสิ้นหวังก็ตาม) พวกเขาแสดงสิ่งพื้นฐานที่อธิบายไว้ใน โพสต์นี้

ผมขอสรุป. มวลนั้น "ไม่สามารถแบ่งแยก" จากวัตถุได้ หากวัตถุเร่งความเร็วบนโลกได้ยาก (โดยเฉพาะถ้าคุณพยายามลดแรงเสียดทาน) การเร่งความเร็วในอวกาศก็ยากพอๆ กัน สำหรับตาชั่ง เมื่อคุณยืนบนตาชั่ง เครื่องชั่งเพียงแต่วัดแรงที่ถูกบีบอัด และเพื่อความสะดวก จะแสดงแรงนี้ไม่ใช่นิวตัน แต่เป็นหน่วย กิโลกรัมเอฟ เพื่อความสะดวก โดยไม่ต้องเติมตัวอักษร "s" เพื่อไม่ให้คุณสับสน)