К чему приложены эти силы
Это самое важное и самое забываемое отличие. Сила тяжести приложена к самому телу — её прикладывает Земля, притягивая всё к своему центру. Вес приложен не к телу, а к опоре или подвесу — это сила, с которой тело давит на пол, или растягивает нить, на которой висит. Они даже приложены к разным объектам, поэтому в принципе не могут быть «одной и той же силой».
Сила тяжести зависит только от массы тела и ускорения свободного падения g (≈9,8 м/с² у поверхности Земли) и практически постоянна. Вес же зависит от состояния движения — и в этом вся соль.
Когда они совпадают
Численно вес равен силе тяжести только в одном случае: когда тело покоится или движется равномерно и прямолинейно относительно Земли. Стоите на полу — давите на него с силой mg, и вес равен силе тяжести. Именно поэтому в быту слова «вес» и «сила тяжести» кажутся синонимами: мы почти всегда находимся в покое.
Лифт: вес меняется, сила тяжести — нет
Войдите в лифт. Пока он стоит, ваш вес равен mg. Лифт разгоняется вверх — пол давит на вас сильнее, и вы давите на него сильнее: вес растёт (перегрузка), вы чувствуете тяжесть. Лифт разгоняется вниз (или тормозит вверху) — вес уменьшается, появляется чувство лёгкости. При этом сила тяжести всё время одна и та же — mg, ведь масса и g не изменились. Меняется только вес.
Знак «+» при ускорении вверх (перегрузка), «−» при ускорении вниз.
Невесомость: вес равен нулю
Если лифт начнёт свободно падать (a = g), то P = m·(g − g) = 0 — вес исчезает, наступает невесомость. Тело больше не давит на опору. Именно это испытывают космонавты на МКС: станция и они вместе свободно падают вокруг Земли, поэтому вес равен нулю. Но сила тяжести при этом никуда не делась — она как раз и удерживает станцию на орбите! Без силы тяжести МКС улетела бы по прямой в космос.
Таблица: сила тяжести против веса
| Критерий | Сила тяжести | Вес |
|---|---|---|
| Природа | Притяжение Земли | Давление тела на опору/подвес |
| К чему приложена | К самому телу | К опоре или подвесу |
| Направление | К центру Земли | На опору (от тела) |
| Формула | F = mg (постоянна) | P = m(g ± a) |
| В свободном падении | Не меняется, равна mg | Равна нулю (невесомость) |
| В лифте с ускорением | Не меняется | Растёт или уменьшается |
Вывод
Сила тяжести и вес — разные силы по природе, направлению и точке приложения. Они равны по величине лишь в покое. Запомнить просто: сила тяжести действует на тело, а вес — на опору. В невесомости вес нулевой, а сила тяжести продолжает работать.
А ещё путают с массой
К этой паре часто примешивают третью величину — массу. Масса — это мера количества вещества и инертности тела, она измеряется в килограммах и не меняется нигде: ни в лифте, ни на Луне, ни в космосе. Сила тяжести и вес измеряются в ньютонах и зависят от g. На Луне, где g в 6 раз меньше, ваша масса та же, но и сила тяжести, и вес в 6 раз меньше — вот почему космонавты там подпрыгивают высоко. Так что в одной задаче могут встретиться сразу три разные вещи: масса (кг), сила тяжести (Н) и вес (Н).
Перегрузка на практике
Эффект изменения веса знаком каждому. На взлёте самолёта или старте скоростного лифта вас вжимает в кресло — это вырос вес из-за ускорения вверх. На американских горках в верхней точке петли можно ощутить лёгкость или даже кратковременную невесомость. Лётчики и космонавты тренируются переносить перегрузки в несколько g, когда вес тела в разы превышает обычный. Во всех этих случаях сила тяжести неизменна — меняется только вес, потому что меняется ускорение.
Итог
Не путайте: сила тяжести (mg) тянет тело к Земле и приложена к телу; вес давит на опору и приложен к ней; масса — это просто количество вещества. Сила тяжести и вес равны лишь в покое. Понимание этого спасает от ошибок в задачах про лифты, орбиты и невесомость.
