Бути космонавтом – це непросто. Хоча б тому, що на землі ми ходимо ногами, а в космосі просто паримо. Такий ефект називають “невагомість”, про неї і поговоримо.
Невагомість: що це таке
Невагомість — це стан, коли тіло не тисне на опору або підвіс.
Саме слово «невагомість» ніби підказує нам, що ваги тут не повинно бути. При цьому не зрозуміло, що з ним тоді відбувається. Давайте розумітися.
Вага тіла
Вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс. Вимірюється вага, як і будь-яка інша сила, у Ньютонах.
«Але зачекайте! Вагу ж вимірюють у кілограмах — я ось важу 50»
Це не зовсім правильно. У побуті ми часто підмінюємо поняття «маса» поняттям «вага» і говоримо: вага валізи — десять кілограмів. У фізиці це два абсолютно різні поняття, які при цьому взаємопов’язані.
Якщо у вас неподалік є ваги – запрошуємо в експеримент! Один нюанс: наша витівка спрацює саме з механічними вагами, але не з електронними. Поїхали!
Крок 1. Якщо стати на ваги рівно і не рухатися — ваша вага вираховуватиметься за формулою:
| P = mg P — вага тіла [Н] m — маса [кг] g — прискорення вільного падіння [м/с2] На планеті Земля g = 9,8 м/с2 |
Тут може виникнути два заперечення:
- Це сила тяжкості, а не вага. Формула така сама!
- На вагах маса відображається в кілограмах. І якщо я свою масу помножу на прискорення вільного падіння, то отримаю число майже в 10 разів більше, ніж показують ваги.
Точка застосування сили. Ця формула і справді аналогічна силі тяжкості. Вага тіла в стані спокою чисельно дорівнює масі тіла, різниця полягає лише в точці докладання сили. Це означає, що у них будуть різні точки докладання: у сили тяжіння до центру мас тіла, а у ваги – до опори.
Ваги вимірюють силу. Ваги працюють таким чином, що вимірюють вагу тіла – силу, з якою ми на них діємо, а показують – масу. Можна зробити висновок, що ваги – це динамометр (прилад, що вимірює силу).
Продовжуємо експеримент.
Крок 2. Тепер попустимо і різко встанемо на шкарпетки! Стрілка різко відхилилася вліво, а потім повернулася на місце. Ви придали собі прискорення, спрямоване вгору — тоді як прискорення вільного падіння завжди спрямоване до центру Землі (вниз).
Тепер вага тіла обчислюємо за формулою:
| P = m (g − a) P – вага тіла [Н] m – маса [кг ] g — прискорення вільного падіння [м/с2] a — ваше прискорення [м/с2] На планеті Земля g = 9,8 м/с2 |
Крок 3. Остання частина експерименту різко опуститися на п’яти. Тепер ви сильніше тиснете на ваги, тому що додали прискорення, спрямоване вниз. Стрілка терезів відхилиться вправо і повернеться на місце, коли ви прийдете в стан спокою.
Формула ваги набуде вигляду:
| P = m (g + a) P — вага тіла [Н] m — маса [кг] g — прискорення вільного падіння [м/с2] a — ваше прискорення [м/с2 ] На планеті Земля g = 9,8 м/с2 |
До речі, якщо рівно стояти на терезах, але зважуватись у ліфті — все працюватиме навпаки. Якщо ліфт їде вгору, то він ніби тисне вагами на людину, що стоїть на них, а це якраз ситуація зі збільшенням ваги. А якщо вниз — ваги начебто від вас «втікають», щоби показати менше значення.
Цей випадок ми можемо описати через 2 закон Ньютона. Візьмемо ліфт, що їде вниз. Позначимо сили малюнку.
N – сила реакції опори [Н];
mg – сила тяжіння [Н];
a – прискорення, з яким рухається ліфт [м/с 2].
N + mg = ma
При проектуванні на вісь y, спрямовану вниз, ми отримуємо:
−N + mg = ma
А тепер нам знадобиться третій закон Ньютона – по ньому сила реакції опори дорівнює вазі тіла:
P = N
−P + mg = ma
P = m (g − a)
Знову невагомість
Ну що, з вагою розібралися. А тепер давайте зробимо так, щоб його не стало і вийшла та сама невагомість.
Щоб звикнути до відчуття невагомості в космосі, космонавти тренуються у спеціальних літаках-лабораторіях:
Він злітає і починає просто падати, щоб прискорення літака дорівнювало прискоренню вільного падіння. У цей момент, у формулі ваги з g віднімається рівне йому значення і виходить 0:
P = m (g − a) = m (9,8 − 9,8) = 0
От ми і в невагомості!
Так це що ж, космонавти відчувають невагомість, бо падають?
Якщо вони летять довкола Землі, то так. Як писав Дуглас Адамс у книзі «Автоспом по галактиці»: «Літати просто. Потрібно просто промахнутися повз Землю».
Коли космічний корабель обертається навколо Землі, він просто намагається на неї впасти, але промахується. Такий процес відбувається, коли корабель рухається з першою космічною швидкістю, що дорівнює 7.9 км/с. Це та швидкість, з якою корабель стає штучним супутником Землі.
До речі, є ще друга та 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 тіло, яке рухається з третьою космічною швидкістю, взагалі вилетить за межі Сонячної системи. Такі справи.
