Покладемо камінь на горизонтальну кришку столу, що стоїть на Землі (рис. 104). Оскільки прискорення каменю щодо Землі одно кулю, то за другим законом Ньютона сума діючих на нього сил дорівнює нулю. Отже, дія на камінь сили тяжіння m · g має компенсуватися якимись іншими силами. Ясно, що під дією каменю кришка столу деформується. Тому з боку столу на камінь діє сила пружності. Якщо вважати, що камінь взаємодіє лише з Землею і кришкою столу, то сила пружності повинна врівноважувати силу тяжіння: Fупр = -m · g. Цю силу пружності називають силою реакції опори і позначають латинською літерою N. Оскільки прискорення вільного падіння направлено вертикально вниз, сила N спрямована вертикально вгору - перпендикулярно поверхні кришки столу.
Оскільки кришка столу діє на камінь, то за третім законом Ньютона і камінь діє на кришку столу силою P = -N (рис. 105). Цю силу називають вагою.
Вагою тіла називають силу, з якою це тіло діє на підвіс або опору, перебуваючи щодо підвісу або опори в нерухомому стані.
Ясно, що в розглянутому випадку вага каменю дорівнює силі тяжіння: P = m · g. Це буде вірно для будь-якого тіла, що спочиває на підвісі (опорі) відносно Землі (рис. 106). Очевидно, що в цьому випадку точка кріплення підвісу (або опора) нерухома відносно Землі.
Для тіла, що спочиває на нерухомому відносно Землі підвісі (опорі), вага тіла дорівнює силі тяжіння.
Вага тіла також буде дорівнює діючої на тіло силі тяжіння в разі, якщо тіло і підвіс (опора) рухаються щодо Землі рівномірно прямолінійно.
Якщо ж тіло і підвіс (опора) рухаються щодо Землі з прискоренням так, що тіло залишається нерухомим щодо підвісу (опори), то вага тіла не буде дорівнює силі тяжіння.
Розглянемо приклад. Нехай тіло масою m лежить на підлозі ліфта, прискорення a якого направлено вертикально вгору (рис. 107). Будемо вважати, що на тіло діють тільки сила тяжіння m · g і сила реакції статі N. (Вага тіла діє не на тіло, а на опору - підлогу ліфта.) У системі відліку, нерухомою відносно Землі, тіло на підлозі ліфта рухається разом з ліфтом з прискоренням a. Згідно з другим законом Ньютона добуток маси тіла на прискорення дорівнює сумі всіх діючих на тіло сил. Тому: m · a = N - m · g.
Отже, N = m · a + m · g = m · (g + a). Значить, якщо ліфт має прискорення, спрямоване вертикально вгору, то модуль сили N реакції статі буде більше модуля сили тяжіння. Справді, сила реакції статі повинна не тільки компенсувати дію сили тяжіння, а й надати тілу прискорення в позитивному напрямку осі X.
Сила N - це сила, з якою підлогу ліфта діє на тіло. За третім законом Ньютона тіло діє на підлогу з силою P, модуль якої дорівнює модулю N, але спрямована сила P в протилежну сторону. Ця сила є вагою тіла в рухомому ліфті. Модуль цієї сили P = N = m · (g + a). Таким чином, в ліфті, що рухається зі спрямованим нагору відносно Землі прискоренням, модуль ваги тіла більше модуля сили тяжіння.
Таке явище називають перевантаженням.
Наприклад, нехай прискорення а ліфта направлено вертикально вгору і його значення дорівнює g, т. Е. A = g. У цьому випадку модуль ваги тіла - сили, що діє на підлогу ліфта, - буде дорівнює P = m · (g + a) = m · (g + g) = 2m · g. Тобто вага тіла при цьому буде в два рази більше, ніж в ліфті, який відносно Землі покоїться або рухається рівномірно прямолінійно.
Для тіла на підвісі (або опорі), що рухається з прискоренням відносно Землі, спрямованим вертикально вгору, вага тіла більше сили тяжіння.
Ставлення ваги тіла в рухомому прискорено щодо Землі ліфті до ваги цього ж тіла в спочиваючому або рухається рівномірно прямолінійно ліфті називають коефіцієнтом перевантаження або, більш стисло, перевантаженням.
Коефіцієнт перевантаження (перевантаження) - відношення ваги тіла при перевантаженні до сили тяжіння, що діє на тіло.
У розглянутому вище випадку перевантаження дорівнює 2. Зрозуміло, що якби прискорення ліфта було направлено вгору і його значення дорівнювало a = 2g, то коефіцієнт перевантаження був би рівний 3.
Тепер уявімо собі, що тіло масою m лежить на підлозі ліфта, прискорення якого a відносно Землі направлено вертикально вниз (протилежно осі X). Якщо модуль a прискорення ліфта буде менше модуля прискорення вільного падіння, то сила реакції статі ліфта як і раніше буде спрямована вгору, в позитивному напрямку осі X, а її модуль буде дорівнює N = m · (g - a). Отже, модуль ваги тіла дорівнюватиме P = N = m · (g - a), т. Е. Буде менше модуля сили тяжіння. Таким чином, тіло буде тиснути на підлогу ліфта з силою, модуль якої менше модуля сили тяжіння.
Це відчуття знайоме кожному, хто їздив на швидкісному ліфті або гойдався на великих гойдалках. При русі вниз з верхньої точки ви відчуваєте, що ваш тиск на опору зменшується. Якщо ж прискорення опори позитивно (ліфт і гойдалки починають підніматися), вас сильніше притискає до опори.
Якщо прискорення ліфта щодо Землі буде направлено вниз і так само по модулю прискоренню вільного падіння (ліфт вільно падає), то сила реакції статі стане рівною нулю: N = m · (g - a) = m · (g - g) = 0. В цьому випадку підлогу ліфта перестане тиснути на лежить на ньому тіло. Отже, відповідно до третього закону Ньютона і тіло не буде тиснути на підлогу ліфта, здійснюючи разом з ліфтом вільне падіння. Вага тіла стане рівним нулю. Такий стан називають станом невагомості.
Стан, при якому вага тіла дорівнює нулю, називають невагомістю.
Нарешті, якщо прискорення ліфта, спрямоване до Землі, стане більше прискорення вільного падіння, тіло виявиться притиснутим до стелі ліфта. У цьому випадку вага тіла змінить свій напрямок. Стан невагомості зникне. У цьому можна легко переконатися, якщо різко смикнути вниз банку з перебувають в ній предметом, закривши верх банки долонею, як показано на рис. 108.
Вагою тіла називають силу, з якою це тіло діє на підніс або опору, перебуваючи щодо підвісу або опори в нерухомому стані.
Вага тіла в ліфті, що рухається зі спрямованим нагору відносно Землі прискоренням, по модулю більше модуля сили тяжіння. Таке явище називають перевантаженням.
Коефіцієнт перевантаження (перевантаження) - відношення ваги тіла, при перевантаженні до сили тяжіння, що діє на це тіло.
Якщо вага тіла дорівнює нулю, то такий стан називають невагомістю.
- Яку силу називають силою реакції опори? Що називають вагою тіла?
- До чого прикладений вага тіла?
- Наведіть приклади, коли вага тіла: а) дорівнює силі тяжіння; б) дорівнює нулю; в) більше сили тяжіння; г) менше сили тяжіння.
- Що називають перевантаженням?
- Який стан називають невагомістю?
- Семикласник Сергій стоїть на підлогових вагах в кімнаті. Стрілка приладу встановилася навпаки ділення 50 кг. Визначте модуль ваги Сергія. Дайте відповідь на інші три питання про цю силу.
- Знайдіть перевантаження, що випробовується космонавтом, який знаходиться в ракеті, що піднімається вертикально вгору з прискоренням a = ЗG.
- З якою силою діє космонавт масою m = 100 кг на ракету, зазначену у вправі 2? Як називається ця сила?
- Знайдіть вага космонавта масою m = 100 кг в ракеті, яка: а) стоїть нерухомо на пусковій установці; б) піднімається з прискоренням a = 4g, спрямованим вертикально вгору.
- Визначте модулі сил, що діють на гирю масою m = 2 кг, яка висить нерухомо На легкої нитки, прикріпленої до стелі кімнати. Чому рівні модулі сили пружності, що діє з боку нитки: а) на гирю; б) на стелю? Чому дорівнює вага гирі? Вказівка: для відповіді на поставлені питання скористайтеся законами Ньютона.
- Знайдіть вага вантажу масою m = 5 кг, підвішеного на нитці до стелі швидкісного ліфта, якщо: а) ліфт рівномірно піднімається; б) ліфт рівномірно опускається; в) піднімається вгору зі швидкістю v = 2 м / с ліфт почав гальмування з прискоренням a = 2 м / с 2; г) опускається вниз зі швидкістю v = 2 м / с ліфт почав гальмування з прискоренням a = 2 м / с 2; д) ліфт почав рух вгору з прискоренням a = 2 м / с 2; е) ліфт почав рух вниз з прискоренням a = 2 м / с 2.