Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно - страница 20

Если обозначить вес буквой P, мы получим формулу P^>→; = mg^>→;.

Стрелка представляет собой вектор, чье направление следует уточнить: сила направлена к центру Земли, а значит, ускорение свободного падения тоже.

Ускорение свободного падения

Выражение веса P^>→; = mg^>→; очень похоже на выражение силы F^>→; = ma^>→;. Оно является верным для инерциальной системы отсчета, которой в первом приближении является земная система отсчета. Однако единственной силой, действующей на объект в свободном падении, является вес, то есть это можно записать как F^>→; = P^>→; или, используя двойное соотношение, ma^>→; = mg^>→;. Получается, что a^>→; = g^>→;. Таким образом, поле тяготения соответствует ускорению свободного падения объекта, каким бы он ни был. Поэтому величина g также называется ускорением свободного падения. Мы обнаруживаем, что все объекты, брошенные одновременно, падают с одинаковой скоростью, если на них действует только их вес.

Между тем g является константой, которую легко вычислить: на Земле она составляет примерно 10 м/с². Это означает, что в свободном падении на Земле скорость любого объекта каждую секунду возрастает на 10 м/с, то есть на 36 км/ч. То есть по прошествии 10 секунд объект движется уже со скоростью 360 км/ч!

Разумеется, на практике на объект действует и другая сила, которая его тормозит, – сопротивление воздуха. А значит, реальная скорость объекта будет гораздо ниже и даже стабилизируется, если объект сброшен с большой высоты: именно в этом состоит смысл парашюта, к которому мы вернемся в дальнейшем.

НЕВЕСОМОСТЬ

Вы едете в лифте, когда внезапно трос обрывается, и вы оказываетесь в свободном падении. Ускорение свободного падения одинаково для всех тел, поэтому и вы и лифт падаете с одинаковой скоростью. Это значит, что по отношению к лифту у вас нет никакого ускорения: не двигаясь, вы можете находиться внутри лифта в подвешенном состоянии. Иными словами, вы в невесомости.

Теперь перенесемся на Международную космическую станцию на орбите на высоте 350 км. Вы и космическая станция испытываете ускорение свободного падения, и именно оно удерживает вас на орбите, препятствуя вашему движению по прямой. Вы и станция подвержены одинаковому ускорению, то есть по отношению к станции у вас нет никакого ускорения. Так же как и в лифте, вы находитесь в состоянии невесомости.

Итак, если космонавты в космической станции находятся в состоянии невесомости, это не означает, что на них не действует гравитация (вес в космосе всего на 4 % меньше, чем на Земле): просто они испытывают такое же ускорение, что и станция.

В конечном итоге, если для того, чтобы оказаться в невесомости, нужно полететь в космос, это потому, что необходимо выйти из атмосферы, трение которой заставило бы упасть станцию на Землю. Пример с лифтом показывает, что можно испытать невесомость и на Земле, но этот опыт будет гораздо более кратким.

На практике существует специальный аэробус, предназначенный для тренировки космонавтов в атмосфере, – какое-то время самолет находится в свободном падении, прежде чем выровняться, не достигнув земли.

Рассмотрим гравитационное воздействие Луны на Землю (➙ рис. 2.3). Сила воздействия Луны на объект будет различаться в зависимости от того, в какой точке Земли он находится. Если Луна на небе в зените, значит, объект находится от нее на кратчайшем расстоянии и испытывает наиболее сильное воздействие (точка А). Антиподы этой точки, находящиеся на противоположной стороне Земли, значительно удалены от Луны: их разделяет еще и диаметр Земли. То есть сила воздействия Луны на объект в этой точке значительно слабее (точка В). А если бы объект находился в центре Земли, сила воздействия Луны была бы средней (точка О).