144

Базовая физика. Чем отличаются вес и масса. Невесомость.

Регулярно сталкиваюсь с тем, что люди не понимают разницу между весом и массой. Это в общем-то понятно, поскольку мы находимся всю жизнь в непрекращающем своё действие гравитационном поле Земли, и эти величины для нас постоянно связаны. И эта связь ещё и лингвистически закрепляется тем, что мы узнаём массу с помощью весов, "взвешиваем" себя или, скажем, продукты в магазине.


Но давайте всё-таки попробуем развязать эти понятия. В тонкости (типа отличающегося g в разных местах Земли и прочего) мы вдаваться не будем. Отмечу, что всё это входит в школьный курс физики, поэтому если всё нижесказанное для вас очевидно, не ругайтесь на тех, кто не успел эти вещи понять, а заодно на тех, кто решил это в сотый раз объяснить. ) Я надеюсь, что найдутся люди, которым эта заметка пополнит их аппарат понимания окружающего мира.


Итак, поехали. Масса тела - мера его инертности. То есть мера того, насколько трудно изменить скорость этого тела по модулю (разогнать или затормозить) либо по направлению. В системе СИ измеряется в килограммах (кг). Обозначается обычно буквой m. Является неизменным параметром, что на Земле, что в космосе.


Сила тяжести, измеряется в системе СИ в Ньютонах (Н). Это сила, с которой Земля притягивает тело, и равная произведению m*g. Коэффициент g равен 10 м/с2, называется ускорением свободного падения. С этим ускорением начинает двигаться тело относительно земной поверхности, лишённое опоры (в частности, если тело стартовало из неподвижного состояния, его скорость каждую секунду будет увеличиваться на 10 м/с).


А теперь рассмотрим тело массой m, неподвижно лежащее на столе. Для определённости пусть масса равна 1 кг. На это тело вертикально вниз действует сила тяжести mg (собственно сама вертикаль определяется как раз направлением силы тяжести), равная 10 Н. В технической системе единиц эту силу называют килограмм-силой (кгс).


Стол не позволяет разгоняться нашему телу, действуя на него с силой N, направленной вертикально вверх (эту силу правильнее рисовать от стола, но чтобы линии не накладывались, нарисую тоже из центра тела):

Базовая физика. Чем отличаются вес и масса. Невесомость. Физика, Вес, Масса, Космос, Невесомость, Длиннопост

N называется силой реакции опоры, уравновешивает силу тяжести (в данном случае равна по модулю тем же самым 10 Ньютонам), так что равнодействующая сила F (сумма всех сил) равна нулю: F = mg - N = 0.


А то, что силы уравновешены, мы видим из второго закона Ньютона F = m*a, согласно которому если ускорение тела a равно нулю (то есть оно либо покоится, как в нашем случае, либо движется равномерно и прямолинейно), то равнодействующая сила F тоже равна нулю.


Вот теперь можно наконец сказать, что такое вес - это сила, с которой тело действует на подставку или подвес. Согласно третьему закону Ньютона эта сила противоположна силе N и равна ей по модулю. То есть в данном случае составляет те же 10 Н = 1 кгс. Вам, может быть, покажется, что всё это излишне сложно, и надо было сразу сказать, что вес и сила тяжести - одно и то же? Ведь они совпадают и по направлению, и по величине.


Нет, на самом деле они отличаются существенно. Сила тяжести действует постоянно. Вес меняется в зависимости от ускорения тела. Давайте приведём примеры.


1. Вы стартуете вверх на скоростном лифте (скоростном, чтобы фаза ускорения была эффектнее/заметнее). Ваша масса, скажем, 70 кг (вы можете пересчитать все числа ниже для вашей массы). Ваш вес в неподвижном лифте (перед стартом) равен 700 Н (или 70 кгс). В момент разгона вверх результирующая сила F направлена вверх (именно она вас и разгоняет), сила реакции N превышает силу тяжести mg, и поскольку ваш вес (сила, с которой вы действуете на пол лифта) по модулю совпадает с N, вы испытываете так называемую перегрузку. Если бы лифт разгонялся с ускорением g, то вы бы испытали вес 140 кгс, то есть перегрузку 2g, в 2 раза превышающую вес в состоянии покоя. На самом деле в штатном режиме таких перегрузок в лифтах не бывает, ускорение обычно не превышает 1 м/с2, что приводит к перегрузке всего 1.1g. Вес в нашем случае составит 77 кгс. Когда лифт разогнался до нужной скорости, ускорение равно нулю, вес возвращается к начальным 70 кгс. При замедлении вес, напротив, уменьшается, и если ускорение при этом по модулю равно 1 м/с2, то перегрузка составит 0.9g. При движении в обратную сторону (вниз) ситуация переворачивается: при разгоне вес уменьшается, на равномерном участке вес восстанавливается, при замедлении вес увеличивается.


2. Вы бежите, и ваш вес в состоянии покоя по-прежнему 70 кгс. В момент бега, когда вы отталкиваетесь от земли, ваш вес превышает 70 кгс. А пока вы летите (одна нога оторвалась от земли, другая - еще не коснулась), ваш вес равен нулю (поскольку вы не воздействуете ни на подставку, ни на подвес). Это - невесомость. Правда, совсем короткая. Таким образом, бег - это чередование перегрузок и невесомости.


Напомню, что сила тяжести во всех этих примерах никуда не девалась, не менялась, и составляла ваши "кровные" 70 кгс = 700 Н.


Теперь существенно удлиним фазу невесомости: представьте, что вы находитесь на МКС (международной космической станции). При этом мы не устранили силу тяжести - она по-прежнему действует на вас - но поскольку и вы, и станция находитесь в одинаковом орбитальном движении, то относительно МКС вы в невесомости. Можно представить себя где угодно в открытом космосе, просто МКС немного реалистичнее. )


Каким будет ваше взаимодействие с объектами? Ваша масса 70 кг, вы берёте в руку объект массой 1 кг, отбрасываете его от себя. В соответствии с законом сохранения импульса основную скорость получит 1-кг-объект, как менее массивный, и бросок будет примерно столь же "легким", как и на Земле. Но если вы попытаетесь оттолкнуться от объекта массой 1000 кг, то вы фактически оттолкнете себя от него, поскольку основную скорость в этом случае получите вы сами, и для разгона своих 70 кг придётся развить бОльшую силу. Чтобы примерно это представить, каково это, можете подойти сейчас к стене и оттолкнуться от неё руками.


Теперь вы вышли из станции в открытый космос и хотите поманипулировать каким-то массивным объектом. Пусть его масса будет, как упомянуто в посте http://pikabu.ru/story/kosmonavtyi_vruchnuyu_lovyat_5tonnyiy... (собственно, тот пост меня и сподвиг расписать всё это подробнее), пять тонн.


Честно сказать, я бы прямо очень поостерегся управляться с пятитонным объектом. Да, невесомость и все дела. Но достаточно лишь небольшой его скорости относительно МКС, чтобы прижать вам палец или чего-то посерьёзнее. Эти пять тонн сложно переместить: разогнать, остановить.


А уж представлять, как предложил один человек, себя между двумя объектами массой по 100 тонн и вовсе не хочется. Малейшее их встречное движение, и они вас с лёгкостью придавят. В полнейшей, что характерно, невесомости. )


Ну и наконец. Если вы будете весело лететь по МКС и ударитесь об стенку/переборку, то вам будет больно ровно так же, как если бы вы с той же скоростью бежали и ударились об стену/косяк в своей квартире. Потому что удар уменьшает вашу скорость (то есть сообщает вам ускорение со знаком минус), а ваша масса одинакова в обоих случаях. А значит по второму закону Ньютона и сила воздействия будет соразмерна.


Радует, что в фильмах про космос ("Гравитация", "Интерстеллар", сериал "The Expanse") всё более реалистично (пусть и не без огрехов типа Джорджа Клуни, безнадёжно оттаскиваемого от Сандры Буллок неведомой силой) отображают базовые вещи, описанные в этом посте.


Резюмирую. Масса "неотчуждаема" от объекта. Если объект сложно разогнать на Земле (особенно если вы постарались минимизировать трение), то его так же сложно разогнать и в космосе. А что касается весов, то когда вы на них становитесь, они просто измеряют силу, с которой их сдавливают, и для удобства отображают эту силу не в Ньютонах, а в кгс. Не дописывая при этом букву "с", чтобы вас не смущать. )

Дубликаты не найдены

90 комментариев

по актуальности
+3

Пошел разбивать лживые напольные весы...

+8
9.8, исправь. Не вводи людей в заблуждение
раскрыть ветку 15
+9
9.81, исправь. Не вводи людей в заблуждение.
раскрыть ветку 6
+15

9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах, исправь

раскрыть ветку 5
+3

Погрешность 2%. Как я и обещал, я не вдавался в тонкости. ) Я хотел донести суть.

раскрыть ветку 7
+1

Доносить суть надо корректно, т.к. твоя статья несет образовательно-позновательный характер, а сейчас "школота" и иже с ними не особо думать головой умеют.

Следовало написать так:


..., и равная произведению m*g. Коэффициент g равен

около 9,81 м/с2, но для упрощения расчетов примем равным 10.

раскрыть ветку 3
-3

20%, исправь. Не вводи людей в заблуждение.

раскрыть ветку 2
+3

1. Все силы приложены к центру тяжести рассматриваемого тела (см. картинку)
2. Какая то у вас неразбериха с законами Ньютона. Нужно понимать причинно-следственную связь - cила является причиной возникновения ускорения, а не наоборот
Второй закон гласит - приобретаемое телом ускорение прямопропорционально равнодействующей силе и обратнопропорционально массе тела. Направление ускорения совпадает с направлением равнодействующей силы.
Уравнениt для второго закона выглядит так m*a (вектор) =mg+N векторная сумма всех сил, действующих на тело.
А уже потом мы это уравнение проецируем на вертикальную ось и вспоминаем про третий закон Ньютона - сила действия равна силе противодействия по модулю и противоположна по направлению, поэтому N=-mg
и только теперь мы делаем вывод, что m*a=0.
Или это тоже неважные тонкости?

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 10
+1

1. А вот это только если мы обусловимся, что тело идеально упругое. Потому что в чуть более сложной модели реакция опоры и гравитация деформируют объект на сжатие.

0

Если честно, не вижу большой разницы, откуда зайти в этих рассуждениях. Тело неподвижно? Неподвижно, то есть а=0. Смотрим на второй закон Ньютона и видим из него, что равнодействующая равна нулю. А про векторы я намеренно не стал упоминать, чтобы не усложнять.

раскрыть ветку 8
+4
Школьнику дали пендаль и он полетел.
Он полетел, потому что ему дали пендаль, или ему дали пендаль, потому что он полетел?
раскрыть ветку 5
-2

разница в причинно-следственной связи, если вы из тех людей, кто зубы через жопу лечит, тогда вопросов нет.
Задача динамики как раз и заключается в нахождении ускорения тел при действии на них различных сил. Это хорошо, что в вашем примере изначально известно, что тело неподвижно. А рассмотрите мой рисунок и попробуйте порассуждать в своем стиле

раскрыть ветку 1
0
Достаточно знать определение веса: "вес — это СИЛА, с которой тело действует на опору или подвес". Сила измеряется в Ньютонах. Больше ничего не надо. Невесомость это отсутствие силы, т.е. Тело никак не давит на опору. Это возможно при условии, если и объект и опора движутся с одинаковой скоростью
раскрыть ветку 2
0

"Больше ничего не надо." - ну как сказать. Это просто обобщение, которое вы можете сделать исходя из довольно большого количества знаний в своей голове. И это количество знаний появилось из гораздо более подробных объяснений (в свое время, в школе), чем несколько слов. А ещё небось и задачи порешали по теме.

раскрыть ветку 1
0
Да не в школе, в институте. МИФИ, кафедра Теоретической ядерной физики. Там базовые вещи простым языком объясняли, не растекаясь мыслью по древу
0
Только g=9,81 , иначе, как говорится "у самолета крыло отвалится" .
0

@inkt, мне тут высветилось, что есть "Похожие посты" - и ваш пост про пенопласт и гвозди http://pikabu.ru/story/i_snova_pro_penoplast_i_gvozdi_503910... в котором вы пишете следующее: "Велика ли разница? Самый плотный хардкорный пенопласт марки ПСБ-С 50 имеет плотность 50 кг/м3, плотность воздуха - примерно 1.225 кг/м3, а плотность железа 7874 кг/м3. Нетрудно подсчитать, что разница в весе по шкале весов составит минимум 2.45 грамма на кило(!)."


Полагаю, вы ошибаетесь с оценкой плотности пенопласта, если мы говорим именно о материале пенопласта. Вот похожие рассуждения про вату, где я подытожил этим комментарием: #comment_87665787


Иными словами, говоря про плотность пенопласта 50 кг/м3, вы во многом говорите про воздух, в нём содержащийся. Вот кстати интересно, если пенопласт откачать в вакуумной камере, воздух из пор пенопласта выйдет весь? Или останется внутри?

раскрыть ветку 2
+2

Пустоты в пенопласте закрытые, и в вакууме воздух остается внутри пенопласта - см, например, https://www.youtube.com/watch?v=lliBy-S4ZPA. Разумеется, пенопласт бывает разного качества и плотности. Так что у меня все правильно.


Если бы пустоты в пенопласте были полностью открытыми, то надо было бы брать плотность невспененного полистирола - примерно 1100 кг/м3 - и разница веса была бы гораздо меньше.


В случае с ватой вы правы.

(по секрету скажу: я специально взял пример не с ватой, а я пенопластом именно по этой причине)

раскрыть ветку 1
0

хаха, да вы хитрец! )


И спасибо за видос. Мысль понял. )

0
Ну все, пойду пикапить девушек вопросом: девушка, а с какой вы силой давите на поверхность земли?
0

О! Моя любимая задачка по физике и лютый батхэд в этих ваших интернетах:


Что больше весит: железо, массой в 1 килограмм или пух той же массы?

раскрыть ветку 28
+1

Железо весит больше :-) на это давно уже не ловимся.

раскрыть ветку 18
0

Вы - не ловитесь.

А меня, на ряде ресурсов, в ЧС загнали. Как тупого неуча, за которого должно быть стыдно моему учителю физики.

раскрыть ветку 17
0

без учета архимедовой силы - одинаково

раскрыть ветку 8
0

Так точно.

Но, если мне не изменяет память, без указания особенностей среды всегда подразумеваются Н.У.

раскрыть ветку 7
0

Радует, что в фильмах про космос ("Гравитация", "Интерстеллар", сериал "The Expanse") всё более реалистично


почитай посты:

http://pikabu.ru/story/gravitatsiya_4986505

http://pikabu.ru/story/interstellar_deti_kukuruzyi_kommentar...

http://pikabu.ru/story/kosyak_v_filme_ili_kogda_nechem_zanya...


зачетное видео

http://pikabu.ru/story/55_kinogrekhov_v_filme_gravitatsiya_3...

.

.

.

.

.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 2
0

Я не говорил что в этих фильмах нет ляпов. Есть, и предостаточно. ) Но мне кажется раньше было хуже. Когда лазерами в космосе со звуком стреляли.

раскрыть ветку 1
-1

хня для неискушенного зрителя осталась такая же. только более завуалированная

0
Как, блядь, 10? Даже я, тупой вояка, в курсе, что 9.8
раскрыть ветку 1
+1

В военное время число Пи может достигать четырёх :-)... 9.8 тоже неверно, меня учили что 9.81, в наших рассуждениях это некритично.

0
Еще интересный момент в тему: равенство гравитационной и инертной массы, он же принцип эквивалентности сил гравитации и инерции.

Та масса, о которой написал ТС и которая участвует в 2м законе ньютона f=m*a это инертная масса.

Есть еще гравитационная масса, она описывается законом всемирного тяготения F=G*(M1*M2)/R^2.

Самое интересное, о чем не акцентируют внимание в школе, что инертная масса и гравитационная масса это РАЗНЫЕ физические величины. Как температура и давление например. Так получилось в нашей вселенной что они совпадают и об этом не сильно задумываются. И их равенство постулируется принципом эквивалентности, т.е. идет как аксиома без доказательства, т.к. оно отсутствует. Невозможно из первой формулы вывести вторую и наоборот. Можно только провести кучу экспериментов и убедиться в этом.
раскрыть ветку 9
0

а какая вам видится проблема в том факте, что масса, помимо инертных свойств, обладает гравитационными? с некоторым коэффициентом G

раскрыть ветку 1
0

про лифт Эйнштейна прочитайте

0

Бояться сломать школьную психику. Не нашли еще способа объяснить это понятно и доходчиво

раскрыть ветку 2
0
Я старался как мог, у меня был просто суперский препод по физике, драл нас конечно, на зачетах, ни у кого из группы 5 баллов ниразу не было, но учить умел. Был задачник по физике, не помню автора, но по сложности как последние задачки в Сканави по алгебре, если о чем то это говорит. Наша группа эти задачи, которые на пару расчитаны, решала за полпары, а потом скучали или другим помогали. И физику все полюбили, вот такие интересные моменты не просто сухо рассказывал а так, что хотелось вскочить и крикнуть "Ох нихуя себе!" И очень интересно рассказывал, на его лекциях никто не спал. Мир ему, ушел от нас в 59 за месяц до юбилея, мы всей группой хотели в кабак скинуться ему на юбилей. На 3м курсе пришел старпер с бубняжом по бумажке, все поняли что счастье кончилось
раскрыть ветку 1
-1

То что они совпадают это не так получилось, а то много тогда в физике совпадений... так вот получилось что литр воды имеет массу ровно 1 килограмм например, странное совпадение... Просто установлено равенство на этапе определения и всех делов, в физике обычное явление, равно как и применение элементарных коэффициентов типа постоянной Планка и тому подобных.

раскрыть ветку 3
+1
Вообще то именно литр воды (1дм^3) взяли за меру в 1 кг.
раскрыть ветку 2
0

Статья для тех, кто не учился в школе?

раскрыть ветку 4
0

я вроде это оговорил в самом начале

раскрыть ветку 1
0
Так я ж чукча-писатель, а не читатель!
-1

причем не очень корректная

раскрыть ветку 1
0
Дуракам ... чтобы не оскорбить неучей... Неучам сойдёт.
0
масса вообще для меня странное абстрактное понятие, которое лучше бы определить как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением. эти величины хотя бы можно измерять не зависимо от так называемого гравитационного поля
раскрыть ветку 3
0

"масса вообще для меня странное абстрактное понятие" - ну если честно, для меня тоже, и насколько я понимаю, природа массы - до сих пор нечто не вполне формализуемое. У меня в голове крутится что-то про бозоны Хиггса, про дефект масс в ядерной физике, про связь массы с энергией через mc2, и вот это всё.

раскрыть ветку 1
+1

Почитайте Окуня "Понятие массы. Масса. Энергия. Относительность.", если еще не читали

0

хм. Так весы как раз и измеряют силу тяжести, а ускорение свободного падения приняли одной циферкой как среднее значение и проградуировали шкалу весов в килограммах.

-2
Иллюстрация к комментарию
Похожие посты
Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: