Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает находящееся рядом с ней тело. Она направлена к центру планеты и у земной поверхности приблизительно равна произведению массы тела на ускорение свободного падения: F = mg. Именно поэтому выпущенный из руки предмет падает, а человек не отрывается от поверхности Земли.
Откуда берётся эта сила
Любые тела, обладающие массой, взаимно притягиваются. Это явление называется гравитацией. Земля очень массивна, поэтому её действие на яблоко, мяч или человека легко заметить. Обратное притяжение тоже существует: яблоко притягивает Землю с такой же по модулю силой. Однако ускорение огромной планеты настолько мало, что в быту его невозможно увидеть.
Сила тяжести – частный случай всемирного тяготения. Так обычно называют притяжение тела Землёй или другим небесным телом вблизи его поверхности. Закон всемирного тяготения описывает более широкий случай: притяжение двух любых масс зависит от самих масс и расстояния между ними.
Как вычисляют силу тяжести
В школьных задачах у поверхности Земли используют формулу F = mg. В ней m – масса тела в килограммах, а g – ускорение свободного падения. Для приблизительных расчётов его часто округляют до 10 ньютонов на килограмм, более точное среднее значение у поверхности – около 9,8 ньютонов на килограмм.
Если масса рюкзака равна 5 килограммам, Земля притягивает его с силой примерно 49 ньютонов. Предмет массой 10 килограммов испытывает вдвое большую силу. Поэтому масса прямо влияет на силу тяжести: больше вещества – сильнее притяжение.
Ньютон – единица силы. Один ньютон сообщает телу массой один килограмм ускорение один метр в секунду за каждую секунду. Массу нельзя правильно выражать в ньютонах: килограммы характеризуют количество вещества и инертность тела, а ньютоны – действие силы.
Куда направлена сила
В небольшой области поверхность Земли кажется плоской, поэтому направление силы тяжести называют вертикалью вниз. В действительности «вниз» в разных местах планеты означает направление к её центру. Люди на противоположных сторонах земного шара не падают в космос, потому что для каждого вниз обращено внутрь Земли.
Направление можно приблизительно определить отвесом – грузом на свободно подвешенной нити. Когда груз успокаивается, нить располагается вдоль местной вертикали. Строители применяют этот принцип, чтобы проверять положение стен.
Масса и вес – не одно и то же
Силу тяжести часто смешивают с весом. В строгом физическом смысле вес – сила, с которой тело вследствие притяжения действует на опору или подвес. Сила тяжести приложена к самому телу, а вес – к опоре или подвесу.
Когда книга спокойно лежит на столе, Земля тянет её вниз, а стол действует вверх силой реакции опоры. Книга давит на стол – это проявление её веса. При спокойном положении модули веса и силы тяжести обычно равны, поэтому различие незаметно.
В ускоряющемся лифте вес может меняться, хотя масса и земное притяжение почти не изменяются. При разгоне вверх человек сильнее давит на пол, а при разгоне вниз – слабее. В состоянии свободного падения опора не давит на тело, поэтому возникает невесомость, но сила тяжести продолжает действовать.
Почему тяжёлые тела не обязательно падают быстрее
Если сопротивлением воздуха можно пренебречь, все тела в одном месте падают с одинаковым ускорением. На более массивное тело действует большая сила тяжести, но его труднее ускорить в той же пропорции. Эти два эффекта взаимно компенсируются.
В воздухе лист бумаги падает медленнее камня из-за формы и сопротивления среды. Если лист скомкать или убрать воздух, различие уменьшается. Та же сила действует и на орбите, но там движение выглядит иначе, что объясняет статья о том, почему спутники не падают на Землю.
Свободным падением называют движение тела только под действием тяготения. Брошенный вверх мяч после вылета из руки тоже свободно падает: его скорость сначала уменьшается, затем на мгновение становится нулевой, после чего направление движения меняется. Ускорение всё время направлено вниз.
Одинакова ли сила тяжести повсюду
Значение g на Земле немного различается. Планета вращается и не является идеальным шаром: у экватора расстояние до центра больше, а вращение сильнее уменьшает наблюдаемый вес. На полюсах ускорение свободного падения немного выше. Влияют также высота над уровнем моря и распределение пород.
С подъёмом сила притяжения ослабевает, но не исчезает сразу. На орбите она достаточно сильна, чтобы непрерывно отклонять космический аппарат к Земле. Спутник не «уходит» от гравитации – он всё время падает вокруг планеты, но его горизонтальная скорость не позволяет встретиться с поверхностью.
На Луне ускорение свободного падения примерно в шесть раз меньше земного. Масса космонавта там остаётся прежней, а вес уменьшается. На массивных планетах притяжение обычно сильнее, однако результат зависит также от радиуса: важны и масса небесного тела, и расстояние до его центра.
Гравитационное поле влияет не только на отдельные предметы. Оно удерживает атмосферу и океаны, формирует форму планеты, направляет течение рек и движение льда. О географических последствиях этого действия рассказывает статья о гравитационном поле Земли.
Итак, сила тяжести – измеримое проявление земного притяжения. Она зависит от массы, направлена к центру Земли, вызывает свободное падение и обычно вычисляется по формуле F = mg. Отличая её от массы, веса и реакции опоры, можно правильно объяснить и падение яблока, и ощущения в лифте, и движение спутников.
Знание этой силы нужно не только в учебной задаче. Инженер учитывает её при расчёте опоры, спортсмен – при анализе прыжка, а создатель космического аппарата – при выборе орбиты. Во всех случаях действует один физический принцип, хотя масштабы и способы расчёта различаются.
