物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物体是地球。
1、大小和方向
重力方向总是竖直向下,不一定是指向地心的(只有在赤道和两极指向地心)。地面上同一点处物体受到重力的大小跟物体的质量m成正比,同样,当m一定时,物体所受重力的大小与重力加速度g成正比,用关系式G=mg表示。通常在地球表面附近,g值约为9.8N/kg,表示质量是1kg的物体受到的重力是9.8N。(9.8N是一个平均值;在赤道上g最小,g=9.79N/kg;在两极上g最大,g=9.83N/kg。N是力的单位,字母表示为N,1N大约是拿起两个鸡蛋的力。)
重力并不等于地球对物体的引力。由于地球本身的自转,除了两极以外,地面上其他地点的物体,都随着地球一起,围绕地轴做近似匀速圆周运动,这就需要有垂直指向地轴的向心力,这个向心力只能由地球对物体的引力来提供,我们可以把地球对物体的引力分解为两个分力,一个分力F1,方向指向地轴,大小等于物体绕地轴做近似匀速圆周运动所需的向心力;另一个分力G就是物体所受的重力。其中F1=mrw^2(w为地球自转角速度,r为物体旋转半径),可见F1的大小在两极为零,随纬度减少而增加,在赤道地区为最大F1max。因物体的向心力是很小的,所以在一般情况下,可以近似认为物体的重力大小等于万有引力的大小,即在一般情况下可以略去地球转动的影响。其中引力的重力分量提供重力加速度,引力的向心力分量提供保持随地球自转的向心加速度。
2、作用点
物体的各个部分都受重力的作用。但是,从效果上看,我们可以认为各部分受到的重力作用都集中于一点,这个点就是重力的等效作用点,叫做物体的重心。
重心的位置与物体的几何形状及质量分布有关。形状规则,质量分布均匀的物体,其重心在它的几何中心,例如粗细均匀的棒的重心在他的中点;球的重心在球心;方形薄板的重心在两条对角线的交点。地球对物体的重力,好像就是从重心向下拉物体。若用其他物体来支持着重心,物体就能保持平衡。但是重心的位置不一定在物体之上。可以用悬挂法来确定。
质量分布不均匀的物体,重心的位置除跟物体的形状有关外,还跟物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随装货多少和装载位置而变化,起重机的重心随着提升物体的重量和高度而变化。
重心位置在工程上有相当重要的意义。例如起重机在工作时,重心位置不合适,就容易翻倒;高速旋转的轮子,若重心不在转轴上,就会引起激烈的振动。增大物体的支撑面,降低它的重心,有助于提高物体的稳定程度。
3、相关概念
(1)万有引力:在物理学上,万有引力是指具物体之间加速靠近的趋势。地球的吸引作用使附近的物体向地面下落。
(2)超重:物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)大于物体所受重力的现象叫做超重。
(3)失重:物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)小于物体所受重力的现象叫做失重。
4、特征
(1)独特性:重力与弹力、摩擦力、电场力等有本质区别。只有万有引力和惯性力有资格成为重力的分力,因为万有引力和惯性力都是同时作用在物体的每一个质元上,使物体获得重量。
(2)虚拟性:
①虚拟力的产生:力的分解是按照力的多个作用效果,把一个力想象成与各作用效果对应的几个分力,并用这些想象出来的分力把原来的那个力替换掉。
力的合成是把几个力的共同作用效果,想象成是一个力的作用效果,这个力称作合力。并用想象出来的合力把原来的几个分力替换掉。被想象出来的力是虚拟力。
不论在惯性系下,定义重力是万有引力的一个分力,还是在非惯性系下,定义重力是万有引力与惯性力的合力,重力都是被想象出来的,重力是虚拟力。
②重力虚拟性的表征
客观存在的真实力应该有它的施力物与受力物。虚拟的力就不是这样了,如惯性力就没有施力物。站在理论的角度考虑,重力是虚拟的力,无法判定具体的施力物。
如果做近似研究,在地面附近,把重力视为地球对物体的万有引力,则对重力来说地球为施力物,物体为受力物。
5、现象本质
(1)当升降机的加速度为零时,物体所受惯性力为零,重力等于万有引力。其大小可以看作是物体正常情况下的重量,正常重量等于万有引力的大小。
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(2)当升降机的加速度方向向上时,测力计的读数变大。物体所受的惯性力方向向下,重力的大小等于万有引力的大小加上惯性力的大小,所以重力大于万有引力。(重力变大了,但万有引力不变)物体出现超重现象。
(3)当升降机的加速度方向向下时,测力计的读数变小。物体所受的惯性力方向向上,重力的大小等于万有引力的大小减去惯性力的大小,所以重力小于万有引力。(重力变小了,但万有引力不变)物体出现失重现象。
(4)当升降机的加速度方向向下,且大小等于万有引力加速度的时候,测力计的读数变为零。物体所受的惯性力方向向上,且大小与万有引力相等,重力的大小等于万有引力的大小减去惯性力的大小,结果为零。(重力变为零了,但万有引力不变)物体出现完全失重现象。
(5)假设地球不自转,如果在这种情况下,把地球表面物体受到的万有引力定为正常的重力,那么在真实情况下就可以说,地面上的所有物体都处在微弱的失重状态。
(6)放在卫星中的物体,地球对它的万有引力与对应于绕地球运转的向心加速度的惯性力,两个力大小相等方向相反,使重力变为零,物体完全失重。实际上卫星对物体有微小的万有引力,所以称卫星内部是一个微重力实验室。
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(7)处在失重状态下的物体,如果又受到支持力,会使物体受到新的重力。同样处于失重状态下的宇宙飞船,如果开启发动机,飞船内的物体和飞船自身也会受到新的重力。
(8)需要注意的是既然重力是同时作用在物体的每一个质元上,那么超重和失重现象就会发生在物体的每一个质元上。
(9)超重、失重和“获重”都是物体所受重力千变万化的外在表现。同一物体因为加速度的变化其所受重力随之变化,重力的变化应该是力学着重研究的问题,力学不必刻意地把超重、失重列为一个课题而不知所措地去研究。
来源:青春远行辅导站
编辑:小徐