Перегрузка и невесомость - ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Цель урока:

Сформулировать понятие перегрузки и невесомости.

Ход урока

I. Повторение. Проверка домашнего задания

- Какую скорость называют первой космической?

- Как изменяется скорость движения спутника по орбите с увеличением высоты Л?

- Зависит ли скорость спутника от его массы?

- Как направлены скорость и ускорение спутника, движущегося по круговой орбите? Чему равно ускорение такого спутника?

- Можно ли считать круговое движение спутника равноускоренным? Почему?

- На какие два класса делятся искусственные спутники Земли?

- Какую скорость называют второй космической? Чему она равна?

- Что представляет собой третья космическая скорость?

- Какое движение называют реактивным?

- Для ускорения нужна сила, а сила - это действие одного тела на другое. Почему же ускоряются ракета, когда в космическом пространстве вокруг нее нет никаких тел?

II. Новый материал

Рассмотрим сначала случай, когда ракета стартует и начинает разгоняться (рис. 197). Ускорение ракеты а направлено противоположно ускорению g. На космонавта действуют две силы: сила тяжести mg (со стороны Земли) и сила реакции опоры N со стороны кресла. Их равнодействующая F = N – mg направлена вверх, чтобы обеспечить космонавту ускорение а (космонавт неподвижен относительно ракеты). По второму закону Ньютона

F = mа,

т. е.

N - mg = mа,

откуда

N = mg + mа = m(а + g).

Вес космонавта Р приложен к креслу. По третьему закону Ньютона вес космонавта равен по величине силе реакции опоры N:

Р = N = m(g + а).

Из этой формулы следует, что при разгоне ракеты вес космонавта увеличивается по сравнению с силой тяжести на величину mа. Таким образом космонавт испытывает перегрузку.

Перегрузку можно характеризовать отношением ускорения ракеты а к ускорению свободного падения g - коэффициентом перегрузки:

n = a/g.

Тогда вес космонавта

Р = m(g + a) = mg(1 + a/g) = mg(1 + n).

Перегрузки в космических летательных аппаратах могут быть очень существенными, выдержать такие перегрузки могут только специально подготовленные люди. Поэтому достаточно наивно смотрятся кадры из фильма «Армагеддон», где «простые американские парни» во главе с Брюсом Уиллисом, облетая вокруг Луны, выдерживают десятикратную перегрузку.

А что же происходит, если направления ускорения ракеты и ускорения свободного падения совпадают (рис. 198)? В этом случае равнодействующая сила F = mg - N сообщает космонавту ускорение а:

F = mа.

Тогда

mg - N = mа,

откуда

N = mg - mа = m(g - а).

Следовательно, вес космонавта

Р = N = m(g - a).

Как видно, вес космонавта уменьшается по сравнению с силой тяжести, действующей на Земле. В частности, когда ракета выходит на орбиту и выключает двигатели, ускорение ракеты a -g. Поэтому вес космонавта

P = m(g - g) = 0.

Состояние космонавта (впрочем и любого тела), при котором его вес равен нулю, называется невесомостью.

Для того чтобы испытать состояние невесомости или перегрузки совсем не обязательно отправляться в космос. Достаточно сходить на аттракцион «Американские горки». Кроме того, состояние невесомости вы испытываете всегда, когда находитесь в прыжке.

III. Закрепление изученного

- Что такое перегрузка? Когда она наступает?

- Что называют коэффициентом перегрузки?

- Какие силы действуют на космонавта в стартующей ракете? Как они направлены?

- Что такое невесомость? Когда она возникает?

- Как невесомость влияет на организм человека?

IV. Решение задач

1. Чему равен вес летчика-космонавта массой m = 70 кг при старте ракеты с поверхности Земли с ускорением a = 15 м/с²? (Ответ: Р = m(g + a) = 1750 Н.)

2. Летательный аппарат, совершая вертикальную посадку на поверхность Земли, равномерно уменьшает свою скорость от v = 20 м/с до 0 за 1 с. Чему равен вес пилота массой m = 80 кг при посадке? Каков коэффициент перегрузки? (Ответ: Р = m(g + v/t) = 960 Н; n = 0,2.)

Домашнее задание

1. § 46;

2. Задачи 175, 176.