Вес тела — формула, определение, обозначение

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Быть космонавтом — это непросто. Хотя бы потому, что на земле мы ходим ногами, а в космосе — просто парим. Такой эффект называют «невесомость», о ней и поговорим.

Невесомость: что это такое

Невесомость — это состояние, при котором тело не давит на опору или подвес.

Само слово «невесомость» как бы подсказывает нам, что веса здесь быть не должно. При этом непонятно, что с ним тогда происходит. Давайте разбираться.

Полезные подарки для родителей

В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!

Вес тела

Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Измеряется вес, как и любая другая сила, в Ньютонах.

«Но погодите! Вес же измеряют в килограммах — я вот вешу 50»

Это не совсем верно. В быту мы часто подменяем понятие «масса» понятием «вес» и говорим: вес чемодана — десять килограммам. В физике это два совершенно разных понятия, которые при этом взаимосвязаны.

Если у вас неподалеку есть весы — приглашаем в эксперимент! Один нюанс: наша затея сработает именно с механическими весами, но не с электронными. Поехали!

Шаг 1. Если встать на весы ровно и не двигаться — ваш вес будет высчитываться по формуле:

P = mg P — вес тела [Н] m — масса [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] На планете Земля g = 9,8 м/с2

Здесь может возникнуть два возражения:

1. Это же сила тяжести, а не вес. Формула такая же!

2. На весах масса отображается в килограммах. И если я свою массу умножу на ускорение свободного падения, то явно получу число почти в 10 раз больше, чем показывают весы.

Точка приложения силы. Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Весы измеряют силу. Весы работают таким образом, что измеряют вес тела — силу, с которой мы на них действуем, а показывают — массу. Можно сделать вывод, что весы — это динамометр (прибор, измеряющий силу).

Продолжаем эксперимент.

Шаг 2. Теперь пошалим и резко встанем на носочки! Стрелка резко отклонилась влево, а потом вернулась на место. Вы придали себе ускорение, направленное вверх — в то время, как ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли (вниз).

Теперь вес тела вычисляем по формуле:

P = m (g − a) P — вес тела [Н] m — масса [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] a — ваше ускорение [м/с2] На планете Земля g = 9,8 м/с2

Шаг 3. Последняя часть эксперимента — резко опуститься на пятки. Теперь вы сильнее давите на весы, потому что придали ускорение, направленное вниз. Стрелка весов отклонится вправо и вернется на место, когда вы придете в состояние покоя.

Формула веса примет вид:

P = m (g + a) P — вес тела [Н] m — масса [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] a — ваше ускорение [м/с2] На планете Земля g = 9,8 м/с2

Кстати, если ровно стоять на весах, но взвешиваться в лифте — все будет работать наоборот. Если лифт едет вверх, то он как будто давит весами на человека, стоящего на них, а это как раз ситуация с увеличением веса. А если вниз — весы как будто бы от вас «убегают», чтобы показать меньшее значение.

Этот случай мы можем описать через

2 закон Ньютона. Возьмем лифт, который едет вниз. Обозначим силы на рисунке.

N – сила реакции опоры [Н];

mg – сила тяжести [Н];

a – ускорение, с которым движется лифт [м/с²].

N + mg = ma

При проецировании на ось y, направленную вниз, мы получаем:

−N + mg = ma

А теперь нам понадобится третий закон Ньютона — по нему сила реакции опоры равна весу тела:

P = N

−P + mg = ma

P = m (g − a)

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Снова невесомость

Ну что, с весом разобрались. А теперь давайте сделаем так, чтобы его не стало и получилась та самая невесомость.

Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:

Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение и получается 0:

P = m (g − a) = m (9,8 − 9,8) = 0

Вот мы и в невесомости!

Так это что же, космонавты испытывают невесомость, потому что падают?

Если они летят вокруг Земли, то да. Как писал Дуглас Адамс в книге «Автоспом по галактике»: «Летать просто. Нужно просто промахнуться мимо Земли».

Когда космический корабль обращается вокруг Земли, он просто пытается на нее упасть, но промахивается. Такой процесс происходит, когда корабль движется с первой космической скоростью, равной 7.9 км/с. Это та скорость, с которой корабль становится искусственным спутником Земли.

Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это минимальная скорость, с которой должно двигаться тело, чтобы оно могло без затрат дополнительной работы преодолеть влияние поля тяготения Земли, т. е. удалиться на бесконечно большое расстояние от Земли. А тело, которое двигается с третьей космической скоростью, и вовсе вылетит за пределы Солнечной системы. Такие дела. 🙂

---

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

135.3K

Основные агрегатные состояния вещества

К следующей статье

Сообщающиеся сосуды

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

Сила в физике — что такое? В чем измеряется? Определение

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Какие ассоциации возникают у вас со словом «сильный» или «сильная»? Возможно, вы представляете себе спортсмена, который с легкостью поднимает тяжелую штангу или гирю. Или большого африканского слона, который может нести в хоботе огромный ствол дерева. А может, вам на ум приходит ваша мама, которая занимается домашними делами каждый день, без выходных и отпуска?

В каждом случае мы характеризуем человека или животное, но можно ли рассчитать силу количественно? Есть ли разница между силами? Как можно измерить эту величину? На эти и многие другие вопросы вы получите ответы в этой статье.

Определение силы

Начнем с самого главного — со слова «сила» в физике.

Сила — векторная физическая величина, которая является мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей.

Представьте, что вы ходите по супермаркету и выбираете продукты, бережно складывая их в тележку. Вы передвигаете ее с помощью силы ваших мускулов, и чем сильнее вы напряжете руки и толкнете тележку, тем на большее расстояние она укатится (только аккуратно, не попадите в стенд с газировкой!).

Или вспомните урок физкультуры, где соревнуются в перетягивании каната: команда соперников может даже потерять равновесие, если вы одновременно с вашими друзьями потянете канат на себя.

Результаты действия сил мы можем видеть постоянно: любой подброшенный предмет падает на землю, тела плавают на поверхности жидкости, пружины растягиваются под весом груза. Даже Вселенная подчиняется законам сил: астероиды летают по определенным траекториям, а черные дыры со всей своей мощью поглощают свет далеких звезд. 💫

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Обозначение и единица измерения

У любой физической величины есть свое обозначение и единица измерения. Как же сила обозначается в физике?

Все просто. Сила обозначается латинской буквой F (кстати, на английском языке «сила» — force), а измеряется в ньютонах [H] — в честь великого английского ученого сэра Исаака Ньютона.

Возможно, вы слышали легенду про Ньютона: как он сидел под деревом и размышлял о физических законах, как ему на голову упало яблоко, и это зародило в нем новые гипотезы… Так вот, спешим развеять этот миф: на самом деле такого не происходило. Исаак Ньютон действительно сделал открытия о законах движения и всемирном тяготении, но в этом ему помогли отнюдь не яблоки!

Вернемся к единице измерения силы. Интересно, что ньютоны — это не основная, а производная единица международной системы СИ.

1 Н = 1 кг · м/с².

А значит, сила, равная одному ньютону, определяется как взаимодействие, которое за 1 секунду изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы.

К ньютонам можно прибавлять дольные и кратные приставки, чтобы выразить величину как можно удобнее, не используя при этом огромное количество нулей.

Так, 1 кН = 1 000 Н; 1 гН = 100 Н; 1 мН = 0,001 Н.

Классификация сил

А какие силы вообще существуют? Давайте разберемся вместе.

На фундаментальном уровне ученые выделяют четыре типа сил: слабые, сильные, гравитационные и электромагнитные.

1. Слабое взаимодействие происходит при распаде атомных ядер и элементарных частиц.

2. Сильное взаимодействие отвечает за притяжение между нуклонами — протонами и нейтронами в ядре атомов.

3. К гравитационным силам принято относить тот тип взаимодействий, которые происходят между материальными телами, имеющими массу. Сила тяготения и сила тяжести по праву относятся к такому типу, так как зависят прямо пропорционально от массы тела.

4. Электромагнитные силы действуют между всеми частицами, у которых есть электрические заряды. К ним можно отнести силу упругости, трения, вес тела, силу Архимеда и другие.

Сила как физическая величина характеризуется:

Рассмотрим таблицу и сравним некоторые силы по их направлению и точке приложения:

Сила	Направление	Точка приложения
Сила тяжести	Вертикально вниз	Центр массы тела
Вес	Противоположно силе реакции опоры	Точка на опоре/подвесе
Сила упругости	Вдоль пружины противоположно силе, вызвавшей деформацию	Точка соединения тела и пружины
Сила трения	Противоположно действующей силе	Точка соприкосновения тела с поверхностью
Сила Архимеда	Вертикально вверх	Центр массы тела

На все ли тела действуют силы?

Смотря какие.

Думаем, для вас не секрет, что все тела состоят из молекул и атомов. На таком уровне между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, от них никуда не деться. Если бы отсутствовали силы притяжения, молекулы бы разлетались друг от друга и не могли формировать тела. Уберите силы отталкивания, и все частицы слепятся в один большой комок.

На все тела в пределах планеты Земля действует сила тяжести. Именно поэтому все предметы, которые вы подбросите в воздух, устремятся вниз, а не вверх. Выйдя в открытый космос, мы попадем в состояние невесомости: на нас не будет действовать сила притяжения Земли. Но не спешите радоваться свободе! Во-первых, на космический корабль будет действовать аэродинамическая сила, а во-вторых, мы легко можем стать зависимы от силы притяжения другой планеты, как только приблизимся к ней.

Некоторые силы возникают только при определенных условиях. Возьмем любой предмет и начнем его деформировать, растягивать или сжимать — возникнет сила упругости. Погрузим тело в жидкость — появится сила Архимеда, начнем катить по дороге — движению будет препятствовать сила трения качения.

Измерение силы

Как можно измерить силу? Есть два верных способа: практически, с помощью измерительного прибора, и через формулы.

Прибор для измерения силы носит название динамометр (от латинского «динамос» — сила). В зависимости от типа конструкции и применения динамометры бывают ручными, тяговыми, электронными, гидравлическими и пружинными.

В вопросе измерения сил с помощью формул есть множество нюансов. Какую формулу выбрать? Как научиться выражать неизвестное из формул? Где можно взять дополнительную информацию о величинах, значений которых нет в задаче? Ответы на все эти вопросы можно получить на онлайн-курсах физики в школе Skysmart! Уроки на интерактивной платформе проходят увлекательно, живо, с большим количеством опытов и экспериментов.

Дарья Вишнякова

К предыдущей статье

112.9K

Равноускоренное движение

К следующей статье

Закон преломления света

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

О мерах реакции соединения

О мерах реакции соединения

Мера реакции оценивает нагрузку, создаваемую в соединении в ответ на внешние силы. Вы можете использовать измерение совместной реакции, например, чтобы убедиться, что вы находитесь в пределах номинальной нагрузки для подшипника.

Используйте диалоговое окно «Определение меры» для определения меры реакции соединения. Вы можете установить систему координат для использования в качестве системы отсчета измерения, а также указать, какое твердое тело следует измерять для прилагаемой силы реакции.

Однако система координат по умолчанию для выбранного соединения может не соответствовать РСК или ЛСК любого твердого тела. Установите флажок Выбрать систему координат, чтобы выбрать конкретную систему координат.

Когда вы выбрали соединение и измеряемую составляющую силы или момента, на выбранном соединении появляется заштрихованная цветная стрелка, указывающая направление, которое фактически используется при расчете. Стрелка не появляется, если вы выбираете компонент, который дает величину силы или момента. Внимательно подумайте, действительно ли это направление является тем, которое вам нужно для силы или момента.

Вы можете создать меры реакции для следующих типов соединений:

• Наборы соединений — оценка силы реакции или момента, оказываемого соединением на любое из его твердых тел. Составляющая силы или момента, которую можно измерить, зависит от типа набора соединений. Составляющая вдоль оси движения может включать реакцию в результате ограничения оси движения или в результате трения вдоль этой оси.

Чтобы измерить сумму сил, приложенных к соединению, такому как двигатели и пружины, используйте измерение чистой нагрузки.

• Соединения кулачок-толкатель — оцените усилие в точке контакта между двумя кулачками в соединении кулачок-толкатель.

Мера реакции для соединения кулачок-ролик не включает расчет ударных сил. Вы можете измерить силы реакции на соединении кулачок-следящий элемент с отрывом, когда кулачки соприкасаются, но значения силы реакции будут равны нулю, если кулачки разошлись. Если ваши кулачки отрываются и соприкасаются несколько раз во время анализа, то есть кулачки подпрыгивают, используйте измерение удара или импульса для отслеживания событий контакта.

• Вы можете измерить следующие компоненты для соединений кулачок-толкатель:

◦ Нормальная сила — сила реакции, перпендикулярная соединению кулачок-толкатель в точке контакта. В заданной системе отсчета положительная сила реакции работает, чтобы сдвинуть два кулачка в соединении вместе, а отрицательная сила работает, чтобы разъединить их.

◦ Тангенциальная сила — сила реакции, касательная к соединению кулачка и толкателя в точке контакта. Касательная сила действует так, что кулачки скользят относительно друг друга.

◦ Проскальзывание — проверяет, не проскользнуло ли соединение кулачка с толкателем во время анализа баланса сил. Если проскальзывание произошло, мера возвращает значение 1. Если нет, возвращает значение 0.

• Соединения следящего паза — оцените силу, действующую паза на любое из его твердых тел. Большее усилие прилагается, когда толкатель достигает одной из конечных точек паза или возникает трение по оси паза.

• Зубчатые пары — оценка силы реакции или крутящего момента, действующих на одно из твердых тел в зубчатой ​​паре. Для шестерни с осью вращательного движения можно измерить крутящий момент, действующий на эту ось. Для зубчатого колеса с осью поступательного движения, такого как зубчатая рейка в паре шестерен и реек, можно измерить линейную силу, действующую на эту ось. Вы также можете использовать динамические шестерни для измерения различных сил, влияющих на точку тангажа, и моментов, действующих в центрах окружностей тангажа.

• Ремни — оцените крутящий момент, прилагаемый ремнем к любой из осей его шкива. Список шкивов доступен для выбранного ремня.

• 3D-контакты — оценка силы в точке контакта 3D-контакта. Компоненты и их значение аналогичны соединениям кулачкового толкателя. Основное отличие состоит в том, что трехмерное контактное воздействие происходит в течение определенного периода времени, в то время как кулачковое воздействие является мгновенным. По этой причине контакт расчета трехмерной силы включает удар.

Определение силы реакции тела

Блог

• 4 ноября 2022 г.
• Сообщение от поддерживать

08

ноября

Как правило, у нас есть два варианта определения общей «силы реакции», действующей на тело, или силы реакции Abaqus (Abaqus RF):

1. Определение точки отсчета и использование кинематической связи

Тело можно привязать к точке на этапе настройки модели. После анализа в этом узле можно проверить Силу реакции, которая даст вам общую силу реакции.

2. Использование данных XY в постобработке

Другим методом определения полной силы реакции без перехода к этапу настройки модели является получение сил реакции во всех узлах тела, а затем их суммирование. В этой лекции мы обсудим второй метод, который проще и удобнее, когда ваш анализ завершен, и у вас уже есть результаты, и вы не склонны отправлять новую работу.

Вы недавно запускали симуляцию в Abaqus? Я рекомендую вам скачать эти бесплатные уроки здесь! БЕСПЛАТНОЕ РУКОВОДСТВО ПО ABAQUS

1. В модуле Visualization щелкните значок «Создать данные XY».
2. В появившемся диалоговом окне переключите вывод поля ODB:
3. Нажмите Продолжить …
4. В диалоговом окне XY Data from ODB Field Output выберите
   Position:  Уникальный узел
   
   
5. Затем прокрутите и щелкните треугольник, указывающий вправо, рядом с RF, чтобы открыть.
6.  Выберите интересующий вас компонент, скажем, RF2 (отметьте это)
   RF: RF2 появится в окне ниже.
7. Нажмите на ВКЛАДКУ:  Элемент/узлы
8. Слева нажмите «Внутренние наборы»
9. Справа появятся наборы узлов, автоматически созданные Abaqus. Для любой детали Abaqus создает набор с именем типа «PART-1-1._PICKEDSET2».
10. Выберите деталь (автоматически определенный набор узлов) для требуемых реакций.
11. Нажмите СОХРАНИТЬ
12. В диалоговом окне Сохранить данные XY нажмите OK.
13. Щелкните значок «Создать данные XY» (такой же, как раньше)
14. На этот раз ПЕРЕКЛЮЧИТЬ «Оперировать с данными XY»:
15. Нажмите ПРОДОЛЖИТЬ…
16. В новом диалоговом окне справа будут перечислены различные функции/операции.
    Прокрутите вниз и нажмите Sum((A, A….))
    Это появится в верхнем окне.
17. Слева будут перечислены все силы реакции (скажем, RF3) для каждого из узлов в выбранном наборе…

Выделите все эти строки

(Способ 1: удерживая левую кнопку мыши и перетащив ее по всем строкам. Способ 2: легко выберите первую строку, удерживая нажатой клавишу SHIFT, прокрутите вниз до последней строки и нажмите это).
19. Нажмите кнопку Добавить в выражение  
20. Нажмите кнопку Построить выражение  .
Это нанесет на график сумму выбранного компонента сил реакции для всех узлов в выбранном наборе узлов.