Номер 3, страница 114 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

3. При каких условиях наступает состояние невесомости?

3. Состояние невесомости — это состояние, при котором вес тела равен нулю. Чтобы понять, при каких условиях это происходит, рассмотрим определение веса. Вес ($P$) — это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле (или другому небесному телу) действует на опору или подвес. По третьему закону Ньютона, вес тела по модулю равен силе реакции опоры ($N$) или силе натяжения подвеса.
Рассмотрим тело массой $m$, находящееся в лифте, который движется с ускорением $\vec{a}$. На тело действуют две силы: сила тяжести $\vec{F_g} = m\vec{g}$, направленная вертикально вниз, и сила реакции опоры $\vec{N}$, направленная вертикально вверх. Согласно второму закону Ньютона:
$m\vec{a} = \vec{F_g} + \vec{N}$
Спроецируем это уравнение на вертикальную ось, направленную вверх. Ускорение свободного падения $\vec{g}$ будет иметь отрицательную проекцию, а сила реакции опоры $\vec{N}$ — положительную.
$ma = -mg + N$
Отсюда выразим силу реакции опоры:
$N = mg + ma = m(g+a)$
Вес тела $P$ равен силе реакции опоры $N$, следовательно, $P = m(g+a)$.
Состояние невесомости наступает, когда вес $P=0$.
$m(g+a) = 0$
Так как масса тела $m \neq 0$, то для наступления невесомости необходимо, чтобы $g+a=0$, то есть $a = -g$.
Это означает, что ускорение тела должно быть равно по модулю ускорению свободного падения $g$ и направлено в противоположную сторону от выбранной нами оси, то есть вертикально вниз. Такое движение, когда на тело действует только сила тяжести, называется свободным падением.
Таким образом, невесомость наступает, когда тело находится в состоянии свободного падения.
Примеры ситуаций, в которых наблюдается невесомость:

• Движение космического корабля на орбите вокруг Земли. Корабль и все, что в нем находится, постоянно «падают» на Землю с ускорением $g$, но из-за большой орбитальной скорости они все время «промахиваются».
• Кратковременное состояние невесомости, которое испытывает подброшенный вверх предмет в верхней точке своей траектории.
• Движение самолета по специальной параболической траектории (парабола Кеплера), используемой для тренировки космонавтов.

4. Перегрузка — это состояние, при котором вес тела превышает его «обычный» вес, то есть силу тяжести, действующую на него в состоянии покоя. Это явление возникает, когда тело движется с ускорением, направленным противоположно ускорению свободного падения.
Воспользуемся формулой для веса тела, движущегося с ускорением $a$ (ось направлена вверх), полученной в предыдущем пункте:
$P = m(g+a)$
Если тело ускоряется вверх ($a > 0$), его вес $P$ становится больше силы тяжести $mg$. Разница между весом $P$ и силой тяжести $mg$ и создает ощущение перегрузки.
Для количественной оценки перегрузки используют коэффициент перегрузки $n$, который показывает, во сколько раз вес тела в данных условиях превышает его вес в состоянии покоя (или, что то же самое, силу тяжести):
$n = \frac{P}{mg} = \frac{m(g+a)}{mg} = 1 + \frac{a}{g}$
Например, если летчик испытывает перегрузку $n=5$ (говорят «пять же»), это означает, что его вес в 5 раз превышает нормальный, и на все его органы действует сила, в 5 раз большая обычной силы тяжести.
Перегрузка возникает в следующих ситуациях:

• При взлете ракеты или реактивного самолета, когда они с большим ускорением движутся вверх.
• При выходе самолета из пикирования (нижняя точка «мертвой петли»), когда на него действует большое центростремительное ускорение, направленное вверх.
• При резком торможении (горизонтальная перегрузка) или на аттракционах типа американских горок в нижних точках траектории.