Какова природа силы тяжести

3. Сила тяжести

Силу гравитации, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи неё, называют силой тяжести . Эта сила направлена к центру Земли.

Из-за того что есть сила тяжести, возможно существование атмосферы (молекулы газа не улетают в космос), воды морей и океанов удерживаются на своих местах, если какой-либо предмет приподнимают и роняют, этот предмет падает вниз — в направлении Земли.

Силу, с которой Земля притягивает тела, можно рассчитать по формуле: F = m ⋅ g , где \(m\) — масса тела, а \(g\) — ускорение свободного падения.

Ускорение свободного падения — это ускорение, которое вблизи Земли приобретает тело, падающее свободно и беспрепятственно. Вблизи поверхности Земли значение \(g\) равно примерно \(9,81\) м с 2 , для приблизительных расчётов можно использовать значение \(10\) м с 2 .

Если предмет падает, например, в течение \(4\) секунд, то скорость его падения в самом начале равна \(0\) м / с ;

за \(2\)-ю секунду он достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(2\), т.е. модуль скорости \(v\) \(=\) \(19,62\) м / с ;

за \(3\)-ю секунду он достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(3\), т.е. модуль скорости \(v\) \(=\) \(29,43\) м / с ;

за \(4\)-ю секунду тело достигает скорости: \(9,81\), умноженное на \(4\), т.е. модуль скорости \(v\) \(=\) \(39,24\) м / с , что приблизительно составляет \(141\) км/ч.

Интересно, что кирпич и яблоко падают с одинаковой скоростью. Только падение лёгких предметов сопротивление воздуха замедляет сильнее, например, птичье перо из-за сопротивления воздуха будет падать медленнее.

На Юпитере значение \(g\) приблизительно равно \(26,2\) м с 2 , это примерно так же, как если бы человек в дополнение к своим \(60\) кг веса взвалил бы на плечи ещё примерно \(102\) кг.

Источник

Сила тяжести

Сила тяжести — сила, действующая на любое физическое тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела.

Независимо от веса тела, его формы, размеров, направления, вещества, из которого оно состоит и его агрегатного состояния, Земля притягивает его к своей поверхности. Именно поэтому тело, подброшенное вверх, не улетает ввысь, а водоемы не вытекают в атмосферу.

Причины возникновения, куда направлена

В 1682 году И.Ньютон открыл закон всемирного тяготения, согласно которому все тела Вселенной притягиваются друг к другу. Сила их притяжения различна, поскольку у каждого из них своя масса. Ньютон назвал такие силы гравитационными и высказал предположение, что они направлены вдоль линии, которая теоретически соединяет их центры.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Имеются ввиду центры масс. Например, у шара центр массы совпадает с геометрическим центром. Однако такая особенность характерна не для всех форм.

Чем больше масса у тела, тем с большей силой оно притягивает другие тела к себе. Поскольку планета имеет значительную массу, подброшенное вверх тело (если силу броска не компенсирует другая сила) обязательно притянется землей и упадет на нее.

Таким образом, становится понятным, что на поверхности планеты на все тела действует сила, названная силой тяжести, которая заметна визуально, в отличие от взаимодействия тел с незначительными массами.

Сила тяжести актуальна с позиции организации жизни на Земле. поскольку только благодаря ей у поверхности нашей планеты удерживается атмосфера, а водный океан не изливает свои воды в безвоздушное пространство.

Человеку и другим позвоночным животным природа подарила специальный аппарат (вестибулярный), с помощью которого они определяют характеристики силы земного притяжения и не теряют физической ориентации в пространстве.

Чему равна сила тяжести, формула для вычисления

Формула для определения силы тяжести вытекает из уравнения, характеризующего действие всемирного тяготения.

Если тело, имеющее массу m находится вблизи поверхности Земли, массу которой обозначить М, а радиус Rз, то оно будет притягиваться с силой:

Величина \(G×M÷R_з2\) обозначается в физике буквой g и называется ускорением свободного падения. Следовательно, формула приобретает следующий вид:

Вектор силы тяжести направлен в центр Земли. Если другие силы, действующие на тело, имеют нулевые значения либо уравновешивают друг друга, оно, получая ускорение свободного падения, приземляется на землю. Средняя величина g для равна 9,81 м/с 2 .

Через эту же формулу, зная g и R_з, можно определить массу земного шара. После проведенных вычислений итоговая цифра равна 5,98*10 24 кг.

Удаление от поверхности Земли влияет на интенсивность притяжения (в обратной пропорциональности к квадрату расстояния, включая интервал от поверхности до центра Земли).

Ускорение свободного падения, как связано с силой тяжести

Действие на тело силы тяжести вызывает его свободное падение на землю, при отсутствии воздействия других сил либо их взаимно гасящем характере. Оно происходит с ускорением, которое измеряется в единицах — м/с 2 и имеет обозначение g.

Согласно проведенным исследованиям по измерению ускорения свободного падения, был сделан вывод, что его значения почти не отличаются в точках с различными координатами. Поэтому в любом месте Земли оно принимается равным 9,8м/с 2 .

Однако с увеличением высоты подъема предмета над Землей, сила тяжести, которая на него действует, уменьшается. Следовательно, ускорение свободного падения также становится меньшим. Так, расчет модуля на высоте h можно провести по формуле:

На высоте 300 ки от Земли ускорение свободного падения на 1м/с 2 меньше, чем у ее поверхности.

Механизм появления ускорение свободного падения связан с законом всемирного тяготения, при условии, что одним из взаимодействующих тел является Земля. Действует он при условии, что падению не оказывается существенного сопротивления, а возникающие при этом силы трения или упругости суммарно уменьшают силу тяжести, взятую по модулю.

Земля не является абсолютным шаром, поскольку ее экваториальный радиус по размеру превышает полярный. Этот факт является пояснением того, что на полюсе ускорение свободного падения значительнее, чем на экваторе.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что сила тяжести и ускорение свободного падения не находятся в прямой зависимости. Тела, имеющие различные массы, приземляются на Землю с одинаковой скоростью при одном условии: если они находятся в вакууме и силы сопротивления воздуха отсутствуют. Для такого случая записать уравнение для свободно падающего тела можно так:

Из уравнения вытекает, что его результат не имеет взаимосвязи с массой тела. Например, слон будет падать в вакууме так же быстро, как таракан. Скорость можно высчитать по формуле:

Источник

Конспект по физике по теме «Сила тяжести» (10 класс)

Сила тяжести ( вид силы всемирного тяготения) – сила, с которой тела притягиваются к Земле.

Сила тяжести имеет гравитационную природу.

Сила тяжести (как и любая сила в механике) имеет:

1) Направление.

Сила тяжести (как и сила всемирного тяготения) является центральной, следовательно, направлена вертикально вниз, к центру Земли.

2) Точку приложения

Точка приложения силы тяжести – центр тяжести.

Центр тяжести – точка, через которую проходит равнодействующая всех сил тяжести, действующих на тело при любом его положении в пространстве.

Для однородных симметричных тел центр тяжести совпадает с центром симметрии

Определить положение центра тяжести плоского тела произвольной формы можно экспериментально. Для этого необходимо подвесить тело в любой его точке и провести вертикальную отвесную линию через эту точку. Эта линия будет являться линией действия силы тяжести. Подвесив тело в другой точке, проведем отвесную линию через эту точку. Эта линия также является линией действия силы тяжести. Для нахождения точки приложения силы тяжести достаточно найти точку пересечения полученных линий.

Согласно закону Всемирного тяготения сила тяжести равна:

где — масса тела; — масса Земли; — радиус Земли; — высота тела над поверхностью Земли.

Сила тяжести сообщает телу ускорение свободного падения: . Согласно второму закону Ньютона:

Приравняв, получим: .

Из полученной формулы следует, что ускорение свободного падения

1) не зависит от массы тела, но зависит от массы планеты;

2) зависит от расстояния от тела до центра Земли. У поверхности Земли принято считать ускорение свободного падения примерно равным .

3) зависит от широты места наблюдения. Дело в том, что земной шар несколько сплюснут у полюсов. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км. Другой, более существенной причиной подобной зависимости является вращение Земли.

Рассматривая движение тел относительно поверхности Земли, необходимо учитывать, что Земля вращается вокруг своей оси и все точки ее поверхности имеют центростремительное ускорение: . Следовательно, Земля – неинерциальная система отсчета. Этот факт оказывает влияние на значение силы тяжести на различных широтах.

Сила тяжести на различных широтах:

Сила тяжести тел относительно Земли определяется по формуле: , где — сила инерции, направленная по радиусу вращения тела от оси вращения .

Тело не участвует во вращении: ω = 0; ; имеет максимальное значение и направлена к центру Земли.

2) На широте φ:

Чем меньше широта местности, тем больше , тем меньше. На произвольной широте сила тяжести направлена не строго к центру Земли.

3) На экваторе:

; имеет минимальное значение и направлена к центру Земли.

.

Вращение Земли и ее сплюснутость вблизи полюсов приводит к тому, что ускорение свободного падения на различных широтах различно: на полюсах , на экваторе . Из-за вращения Земли вокруг своей оси ускорение свободного падения во всех местах, кроме экватора и полюсов, не направлено точно к центру Земли.

Источник