Людина не вміє літати. Ні, він, звичайно, може сісти у літак, але самостійно полетіти не зможе. Чи таки зможе? Розбираємось у цій статті.
Сила: що це за величина
У повсякденному житті ми часто зустрічаємо, як будь-яке тіло деформується (змінює форму чи розмір), прискорюється чи гальмує, падає. Загалом чого тільки з різними тілами в реальному житті не відбувається. Причиною будь-якої дії чи взаємодії є сила.
Сила — це фізична векторна величина, яку впливає на це тіло з боку інших тіл.
Вона вимірюється в Ньютонах — це одиниця виміру названа на честь Ісаака Ньютон.
У сили, на відміну від деяких інших фізичних величин (наприклад, маси або обсягу), є напрямок. Від того, куди спрямовано силу, залежить результат.
От стоїте ви на лонгборді: можете відштовхнутися вправо, а можете вліво — залежно від того, в який бік відштовхнетеся, результат буде різним. У разі результат виявляється у напрямі руху.
Сила тяжіння
У 1682 році Ісаак Ньютон відкрив Закон Всесвітнього тяжіння. Він звучить так: всі тіла притягуються одне до одного, сила всесвітнього тяжіння прямо пропорційна добутку мас тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Формула сили тяжіння відповідно до цього закону виглядає так:
| Закон всесвітнього тяжіння
F = G \frac{Mm}{R^2}F — сила тяжіння [Н] M – маса першого тіла (часто планети) [кг] m – маса другого тіла [кг] R — відстань між тілами [м] G — гравітаційна постійна G = 6,67 · 10−11м3 · кг−1 · c−2 |
Коли ми встаємо на терези, стрілка відхиляється. Це відбувається тому, що маса Землі дуже велика, і сила тяжіння буквально притискає нас до поверхні. На легшому Місяці людина важить менше у шість разів.
Закон всесвітнього тяжіння використовують, щоб обчислити сили взаємодії між тілами будь-якої форми, якщо розміри тіл значно менші за відстань між ними.
Якщо ми візьмемо дві кулі, то для них можна використовувати цей закон незалежно від відстані між ними. За відстань R між тілами у цьому випадку приймається відстань між центрами куль.
Сила притягання
Сила притяжіння — це сила, з якою Земля притягує всі тіла.
| Сила притягання F = mg F — сила притягання [Н] m — маса тіла [кг] g — прискорення вільного падіння [м/с2] На планеті Земля g = 9,8 м/с2 |
На перший погляд, сила притягання дуже схожа на вагу тіла.Справді, у стані спокою лежить на поверхні Землі формули сили тяжкості і ваги ідентичні. Але різниця все-таки є, давайте розбиратися.
Ця формула і справді аналогічна силі тяжіння. Вага тіла в стані спокою чисельно дорівнює масі тіла, різниця полягає лише в точці докладання сили.
Сила тяжіння — це сила, з якою Земля діє на тіло, а вага — сила, з якою тіло діє на опору чи підвіс. Це означає, що у них будуть різні точки застосування: сили тяжіння до центру мас тіла, а вага — до опори.
Також, важливо розуміти, що сила тяжіння залежить виключно від маси та планети, на якій тіло знаходиться. Вага залежить також від прискорення, з яким рухаються тіло чи опора.
Наприклад, у ліфті вага тіла залежить від того, куди і з яким прискоренням рухається тіло. А силі притягання все одно, куди і що рухається вона не залежить від зовнішніх факторів.
На другий погляд, сила тяжіння дуже схожа на силу притягання. В обох випадках ми маємо справу з тяжінням — значить можемо сказати, що це одне й те саме. Практично.
Ми можемо сказати, що це те саме, якщо йдеться про Землю і якийсь предмет, який до неї притягується. Тоді ми можемо навіть прирівняти ці сили та висловити формулу для прискорення вільного падіння:
F = mg
F = G \frac{Mm}{R^2}Прирівнюємо праві частини:
mg = G \frac{Mm}{R^2}Ділімо на масу тіла ліву та праву частини:
g = G \frac{M}{R^2}Це буде формула прискорення вільного падіння. Прискорення вільного падіння для кожної планети є унікальним.
| Закон всесвітнього тяжіння
F = G \frac{Mm}{R^2}F — сила тяжіння [Н] M – маса першого тіла (часто планети) [кг] m – маса другого тіла [кг] R — відстань між тілами [м] G — гравітаційна постійна G = 6,67 · 10−11м3 · кг−1 · c−2 |
А тепер завдання
Визначити силу притягання, що діє на тіло масою 80 кг.
Рішення:
Незважаючи на простоту, тут є над чим подумати. Начебто просто потрібно взяти формулу F = mg, підставити числа та справу в капелюсі.
Так, але є один нюанс: у значенні прискорення вільного падіння для Землі дуже багато знаків після коми. У школі зазвичай дають те саме значення, що ми вказували вище: g = 9,8 м/с2.
В іспитах ЗНО у довідкових даних дають g = 10 м /с2.
І кому ж вірити? Все просто: для кого вирішується завдання, той головний. В іспитах беремо g = 10, у школі при розв’язанні задач (якщо за умови завдання не написано щось інше) беремо g = 9,8 м/с2.
Отже, F = mg.
F = 80 · 10 = 800 Н
Відповідь: 800 Н.
Вчимося літати
У серії книг Дугласа Адамса “Автостопом по Галактиці” говориться, що літати – це просто промахуватися повз Землю. Якщо ти промахнувся повз Землю і досяг першої космічної швидкості 7,9 км/с, то ти став штучним супутником Землі.
Штучний супутник Землі — космічний літальний апарат, що обертається навколо Землі геоцентричною орбітою. Щоб у нього так виходило, апарат повинен мати початкову швидкість, рівну або більшу за першу космічну швидкість.
До речі, є ще друга і третя космічні швидкості. Друга космічна швидкість – це мінімальна швидкість, з якою має рухатися тіло, щоб воно могло без витрат додаткової роботи подолати вплив поля тяжіння Землі, тобто піти на нескінченно велику відстань від Землі. А на третій космічній швидкості тіло вилетить за межі Сонячної системи.
Докладніше про можливості польотів та невагомості читайте у нашій статті про вагу тіла.
