Единицы измерения силы тяжести: что это такое и как определить

Силы, действующие на тела, измеряют в единицах физических величин. Одна из важнейших сил - сила тяжести, удерживающая все тела на поверхности Земли. Какие единицы приняты для измерения этой силы и как правильно определить значение? Об этом расскажет статья.

История открытия силы тяжести

Понимание природы силы тяжести шло постепенно, по мере накопления знаний об окружающем мире. В Древней Греции Аристотель считал, что тяжелые тела, такие как земля и вода, стремятся занять свое естественное место в центре Вселенной. Архимед в III веке до н.э. изучал центр тяжести различных геометрических фигур и доказал основополагающий закон гидростатики о плавании тел.

В XVI-XVII веках ученые проводили эксперименты по изучению движения и падения тел. Галилей обнаружил, что все тела падают с одинаковым ускорением независимо от их веса. Гюйгенс создал теорию маятника. Декарт выдвинул гипотезу о зависимости силы тяжести от расстояния между телом и центром Земли. Эти открытия послужили фундаментом для формулировки закона всемирного тяготения.

Исаак Ньютон, проанализировав работы предшественников, пришел к выводу, что сила, заставляющая предметы падать на Землю – то же самое явление, которое удерживает Луну на орбите. Это фундаментальная сила притяжения, действующая между любыми объектами, обладающими массой.

Так в 1687 году Ньютон открыл закон всемирного тяготения и дал математическое описание сил гравитационного взаимодействия. Он показал, что сила тяжести, с которой Земля притягивает тела, является проявлением этой универсальной гравитации.

Определение силы тяжести

Итак, что такое сила тяжести в физике? Это сила, с которой Земля или другое небесное тело притягивает к себе объекты, находящиеся вблизи его поверхности. Величина силы тяжести ^F_T определяется уравнением:

FT = m·g

где m – масса тела, g – ускорение свободного падения (на Земле принимается равным 9,81 м/с2). То есть сила тяжести прямо пропорциональна массе тела – чем тело тяжелее, тем сильнее Земля его притягивает. Ускорение g является постоянной величиной, не зависящей от свойств тела.

Эта формула справедлива для любых тел – как массивных глыб, так и невесомых перышек. Она лежит в основе проектирования зданий и инженерных сооружений, расчетов движения космических объектов и многого другого.

Например, давайте определим силу тяжести, действующую на человека массой 70 кг, стоящего на поверхности Земли:

FT = 70 кг · 9,81 м/с2 = 687 Н

Получено, что на этого человека действует сила тяжести в 687 Н или примерно 70 кгс.

Единицы измерения силы тяжести в физике

В Системе СИ основной единицей измерения силы является ньютон с обозначением Н. Эта единица была принята в честь основоположника классической механики Исаака Ньютона.

Согласно определению, один ньютон – это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Иными словами, чтобы разогнать тело массой 1 кг со скорости 0 до 1 м/с за 1 секунду, нужно приложить силу в 1 Н. Так с помощью единицы ньютон можно измерять любые силы, в том числе и силу тяжести.

Кратные и дольные единицы Н образуют приставками:

• Килоньютон (кН) – 103 Н
• Миллиньютон (мН) – 10-3 Н
• Микроньютон (мкН) – 10-6 Н

Например, сила тяжести 10 кг будет равна 10 кг · 9,81 м/с2 = 98,1 Н = 0,098 кН.

Для измерения больших сил, возникающих, например, при запуске ракет или движении крупных транспортных средств, используют кратную единицу - килоньютон. Так, сила тяги ракеты-носителя составляет десятки миллионов ньютонов или тысячи килоньютонов.

Методы измерения силы тяжести

Различают два основных подхода к измерениям силы тяжести:

1. Динамические методы, основанные на анализе движения тел под действием силы тяжести.
2. Статические методы, изучающие равновесие тела под действием силы тяжести и других сил.

К динамическим методам относятся измерение периода колебаний маятников, падения тел с разной высоты и другие. Статические методы определяют силу тяжести по отклонению рычагов, пружин или крутильных весов.

По точности измерения делятся на абсолютные (определяют полную величину силы тяжести) и относительные (находят разность сил тяжести между точками).

Приборы для измерения силы тяжести

Для точных измерений силы тяжести служат специальные приборы - гравиметры. Существуют гравиметры разных типов:

• Маятниковые гравиметры используют зависимость периода колебаний маятника от силы тяжести.
• Пружинные гравиметры регистрируют отклонение пружинного подвеса с грузом при изменении силы тяжести.
• Баллистические гравиметры основаны на измерении длительности падения тела в вакуумированной камере.

Современные цифровые гравиметры позволяют достичь точности измерений до нескольких микрогал (1 микрогал = 10-8 м/с2). Они активно применяются в геофизике и разведке полезных ископаемых.

Единицы измерения силы тяжести в разных системах

В системе СГС единица силы называлась дин (от греческого слова "сила") и определялась как сила, сообщающая массе 1 г ускорение 1 см/c2. В этой системе также использовали единицы грамм-сила и килограмм-сила.

В английской системе мер до сих пор применяется единица фунт-сила. 1 фунт-сила - это сила, которая придает массе 1 фунт (0,4536 кг) ускорение 1 фут/c2.

Таким образом, в разных системах единиц существовали свои единицы силы, связанные определенным соотношением с ньютоном.

Погрешности измерений силы тяжести

Любые измерения силы тяжести сопровождаются определенными погрешностями. Источники ошибок могут быть самые разные:

• Неточная градуировка шкалы прибора
• Нестабильность внешних условий (температура, влажность)
• Вибрации, тряска, удары при транспортировке
• Помехи от работающего рядом оборудования
• Неучтенное влияние дополнительных сил (например, архимедовой)

Суммарная погрешность обычно складывается из систематической ошибки и случайной ошибки измерений. Для ее минимизации проводят калибровку приборов, варьируют условия измерений, используют статистическую обработку данных.

Значение силы тяжести для человека

Сила тяжести играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни. Возникновение жизни на Земле было бы невозможно без этого фундаментального взаимодействия. Под действием гравитации удерживается атмосфера, работает круговорот воды, функционируют экосистемы.

Наш организм тоже приспособлен к определенной силе притяжения. Изменение силы тяжести влияет на кровообращение, дыхание, работу мышц. Космонавты и пилоты испытывают серьезные физиологические нагрузки.

Знание законов гравитации позволяет человеку осваивать космос, запускать спутники, изучать дальние уголки Солнечной системы. Благодаря этому фундаментальному взаимодействию наша цивилизация шагнула далеко вперед.

Изменение силы тяжести с высотой и широтой

Величина силы тяжести на поверхности Земли не является строго постоянной, а меняется в зависимости от высоты, широты местности и ряда других факторов.

С увеличением высоты над уровнем моря сила тяжести уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Так, на высоте 1000 км, где летают many спутники, ускорение свободного падения снижается почти в 100 раз.

По мере приближения к экватору от полюсов наблюдается также ослабление гравитационного поля Земли из-за центробежных сил ее вращения.

Аномалии силы тяжести и гравиразведка

Локальные отклонения силы тяжести от нормальных значений называют аномалиями. Они связаны с неоднородностями геологического строения в данной местности - наличием полостей, рудных залежей и других объектов.

Измеряя величину этих аномалий при помощи точных гравиметров, можно судить о подземной геологической структуре на глубину до нескольких километров. Этот метод называется гравиразведкой, он позволяет обнаруживать месторождения полезных ископаемых.