Как найти массу в невесомости

Для измерения массы предмета m₂, находящегося в невесомости воспользуемся способом, которым астрономы определяют массы двух небесных тел вращающихся вокруг общего центра масс. Возьмем предмет с заранее известной массой m₁, например гирю, и соединим с исследуемым телом тонким стержнем, на котором предварительно нанесем деления. Получаем своего рода гантель. Придадим ей вращательное движение. Визуально, относительно других предметов или прикосновением, например, карандаша определяем точку на стержне, вокруг которой вращаются «гантель». Далее измеряем от этой точки расстояния до середины гири R₁ и предмета R₂. Вычисляем массу исследуемого объекта по формуле:

m₂= m₁R₁/ R₂.

Как видим, с измерительных инструментов понадабились только линейка плюс гиря.

Ответы

Космические весы

В русском блоге астронавтки Саманты Кристофоретти, которая сейчас работает на Международной космической станции, прочитал:

… продолжили предварительный сбор грузов для нашего «Союза», в том числе нашей личной квоты в 1,5 кг, и упаковали другие свои личные вещи для возвращения на Землю.

Задумался. ОК, с орбиты астронавты могут взять с собой 1,5 кг вещей. Но как они определят их массу в условиях невесомости (микрогравитации)?

Вариант 1 — бухгалтерский. Все вещи на космическом корабле надо взвесить заранее. Должно быть досконально известно, сколько весит колпачок от ручки, носок и флешка.

Вариант 2 — центробежный. На тарированной пружине раскручиваем предмет; из угловой скорости, радиуса вращения и деформации пружины высчитываем его массу.

Вариант 3 — второй ньютоновский (F=ma). Пружиной толкаем тело, замеряем его ускорение. Зная силу толчка пружины, получаем массу.

Оказалось четвертое.

Используется зависимость периода колебаний пружины от массы закрепленного на ней тела.
Измеритель массы тела и малых масс в невесомости «ИМ-01М» (массметр):

«ИМ» использовался на станциях «Салют» и «Мир». Собственная масса массметра составляла 11 кг, взвешивание занимало полминуты, в течение которых прибор с высокой точностью измерял период колебаний платформы с грузом.

Вот как описывает процедуру Валентин Лебедев в своем «Дневнике космонавта» (1982):

Первый раз приходится взвешиваться в космосе. Понятно, что обычные весы здесь работать не могут, так как нет веса. Наши весы в отличие от земных необычные, они работают на другом принципе и представляют собой колеблющуюся платформу на пружинах.
Перед взвешиванием опускаю платформу, сжимая пружины, до фиксаторов, ложусь на нее, плотно прижимаясь к поверхности, и фиксируюсь, группирую тело, чтобы не болталось, обхватывая профильный ложемент платформы ногами и руками. Нажимаю спуск. Легкий толчок, и ощущаю колебания. Частота их высвечивается на индикаторе в цифровом коде. Считываю его значение, вычитаю код частоты колебания платформы, замеренных без человека, и по таблице определяю свой вес.

Орбитальная пилотируемая станция «Алмаз», массметр под цифрой 5:

Модернизированный вариант этого устройства и находится сейчас на Международной космической станции:

Видео:

Справедливости ради — вариант 1 (предварительное взвешивание всего) используется и сейчас для общего контроля, а вариант 3 (второй закон Ньютона) применяется в устройстве взвешивания Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (SLAMMD) NASA:

Экспериментально установили, что показания ИМ-01М и SLAMMD при взвешивании космонавтов в среднем расходятся на 1,1 кг.

 на главную    

домашнее задание    

справочник    

экзамены    

конкурсы и олимпиады   
 они создавали физику

1. 
   Когда весы более точно
   показывают наш вес?

2. Почему тело, подвешенное на нити. качается до тех пор, пока его центр
   тяжести не установится прямо под точкой подвеса?

3. 
   Как измерить массу тела в
   невесомости?

4. Как определить модули скоростей и ускорений относительно земли точек обода
   диска радиусом R,  центр
   которого движется  со скоростью V по
   горизонтальной прямой без проскальзывания?

5. Можно ли утверждать, что тело двигалось равномерно, если известно, что тело
   за первую секунду прошло путь 20 см, за вторую секунду прошло путь 20 см, за
   третью секунду прошло путь 20 см и т.д.

6. Как будут двигаться два одинаковых шара после центрального упругого удара в
   отсутствии внешних сил, если один из них до удара покоился?

7. Теплый воздух поднимается вверх. Почему же в нижних слоях тропосферы теплее?

8. Почему тень ног на земле менее расплывчата, чем тень головы?

9. Почему иногда из водопроводного крана вытекает белая,  как молоко,
   вода?

10. Будет ли работать гидравлический пресс, если его цилиндр заполнить не
    жидкостью, а газом?

11. 
    Почему гвозди, повисшие
    рядом на магните, отклоняются от вертикального положения?

12. Почему в старинных зданиях стекла, сохранившиеся до наших дней, оказываются
    толще в нижней части?

13. 
    На
    что расходуется электроэнергия, потребляемая холодильником?

14. Из крана горячего или остывшего самовара падают более тяжелые капли воды?

15. 
    Можно ли добыть огонь с
    помощью льда?

16. 
    Почему заходящее
    солнце кажется нам красным?

17. 
    Может ли человек
    бежать быстрее своей тени?

18. В каком из случаев веревка сильнее растягивается — если человек тянет ее
    руками за концы в разные стороны или если он тянет обеими руками за один
    конец, привязав другой к стенке? Считать, что в обоих случаях каждая рука
    действует на веревку с одной и той же силой.

19. Во время полнолуния большие тёмные пятна на Луне видны в верхней части её
    диска. Почему на картах Луны эти пятна располагаются в нижней части?

20. Как будет изменяться период колебаний ведерка с водой, подвешенного на
    длинном шнуре, если из отверстия в его дне постепенно будет вытекать вода?

1 2 3

Когда весы более точно
показывают наш вес?

Весы
покажут более точный вес, если Вы стоите на весах неподвижно. При наклоне
или приседании весы покажут уменьшение веса. В момент окончания наклона или
приседания весы покажут увеличение веса.

Возврат в начало

Почему тело, подвешенное на нити. качается до тех пор, пока его центр
тяжести не установится прямо под точкой подвеса?

Если центр тяжести не находится под точкой подвеса, то
сила тяжести создает вращающий момент; если центр тяжести находится под
точкой подвеса, то вращающий момент силы тяжести равен нулю.

Возврат в начало

Как измерить массу тела в
невесомости?

Чтобы измерить массу тела в невесомости, необходимо подействовать на тело
известной силой (например, силой упругости), измерить полученное телом
ускорение. Массой будет величина, равная отношению модуля силы к модулю
ускорения.

Возврат в начало

Как определить модули скоростей и ускорений относительно земли точек обода
диска радиусом R, центр которого движется со скоростью V по горизонтальной
прямой без проскальзывания?

Скорость каждой точки обода диска следует рассматривать
как сумму двух скоростей поступательного и вращательного движений.

Скорость поступательного движения направлена одинаково со скоростью центра
диска, а скорость вращательного движения направлена по касательной к ободу
диска в заданной точке.
При условии движения диска без проскальзывания модуль скорости вращательного
движения и модуль скорости поступательного движения равны.

В точке А скорости поступательного и вращательного движений совпадают по
направлению, поэтому модуль скорости точки А относительно земли 
V_A=2V.

В точках В и D скорость поступательного и
вращательного движений перпендикулярны друг другу, поэтому модуль скорости
численно равен диагонали квадрата  V_В
= V_D = √2
V.

В точке С скорости поступательного и вращательного движений противоположно
направлены, следовательно модуль скорости в точке С    V_С
= 0.

Для определения модулей ускорений точек перейдем в систему
отсчета, связанную с центром колеса. В этой системе отсчета точка
движется по окружности с постоянной скоростью, следовательно, ее ускорение
является центростремительным и равно V² / R.

Данная система отсчета имеет постоянную скорость относительно земли,
следовательно, ее можно считать инерциальной системой отсчета. Ускорение при
переходе из одной ИСО в другую ИСО инвариантно (не меняется), поэтому
относительно земли модули ускорений всех точек обода V²/ R.

 

Возврат в начало

Можно ли утверждать, что тело двигалось равномерно, если известно, что тело
за первую секунду прошло путь 20 см, за вторую секунду прошло путь 20 см, за
третью секунду прошло путь 20 см и т.д.

Утверждать, что тело двигалось равномерно нельзя, т.к.
 мы не знаем,  изменялась ли скорость тела в течение  секунды.

Возврат в начало

Как будут двигаться два одинаковых шара после центрального упругого удара в
отсутствии внешних сил, если один из них до удара покоился ?

Т.к. шары одинаковы, то движущийся до удара шар
остановится, а покоившийся до удара шар приобретет его скорость.

Возврат в начало

Теплый воздух поднимается вверх. Почему же в нижних слоях тропосферы теплее?

Поднимаясь вверх, атмосферный воздух расширяется и охлаждается.
 

Возврат в начало

Почему тень ног на земле менее расплывчата, чем тень головы?

Это объясняется тем, что тени, образованные различными
участками протяженного источника света, накладываются друг на друга,  а
границы этих теней не совпадают. Расстояния между границами теней от
различных участков источника будут наименьшими, если расстояние от предмета
до  поверхности, на которой образуется тень, сравнительно невелико.

Возврат в начало

Почему иногда из водопроводного крана вытекает белая,  как молоко,
вода?

В воде, вытекающей из водопроводного крана, часть
растворенного воздуха выделяется в виде огромного количества мелких
пузырьков. На границах этих пузырьков свет претерпевает многочисленные
отражения, из-за этого вода принимает молочно-белый свет.

Возврат в начало

Будет ли работать гидравлический пресс, если его цилиндр заполнить не
жидкостью, а газом?

Такой двигатель работать будет, но его КПД будет мал, так
как большая часть совершаемой работы пойдет на сжатие газа.

Возврат в начало

Почему гвозди, повисшие
рядом на магните, отклоняются от вертикального положения?

У гвоздей в результате
их намагничивания  одноименные полюсы располагаются рядом. Одноименные
полюсы отталкиваются.. В точках подвеса отталкиванию препятствует трение, а
внизу концы гвоздей, висящие свободно, расходятся, испытывая силы
отталкивания.

Возврат в начало

Почему в старинных зданиях стекла, сохранившиеся до наших дней, оказываются
толще в нижней части?

Стекло
представляет собой аморфное тело. Атомы в нем, как в жидкости, не
упорядочены и могут перемещаться. Поэтому вертикально расположенное стекло
медленно стекает, и через несколько веков можно заметить, что нижняя часть
стекла стает толще.

Возврат в начало

На
что расходуется электроэнергия, потребляемая холодильником?

Электроэнергия, потребляемая холодильником идет на
нагревание комнаты.

Возврат в начало

Из крана горячего или остывшего самовара падают более тяжелые капли воды?

Вес капли горячей воды, удерживаемой силами
поверхностного натяжения, будет меньше. Коэффициент поверхностного натяжения
воды с увеличением температуры уменьшается.

Возврат в начало

Можно ли добыть огонь с
помощью льда?

С помощью льда можно добыть огонь в солнечный день, если
изо льда изготовить двояковыпуклую линзу. Двояковыпуклая линза имеет
свойство собирать падающие на нее солнечные лучи в одну точку (в фокусе),
тем самым можно получить в этой точке высокую температуру и зажечь горючий
материал.

Возврат в начало

Почему заходящее
солнце кажется нам красным?

Световая
волна проходит в атмосфере от заходящего солнца больший путь, чем от солнца,
стоящего в зените. Свет, проходя через атмосферу, рассеивается воздухом и
частицами, находящимися в нем. Рассеивание же происходит главным образом
коротковолнового излучения.

Возврат в начало

Может ли человек
бежать быстрее своей тени?

Человек
может бежать быстрее своей тени, если тень образуется на стене, параллельно
которой бежит человек, а источник света движется быстрее человека в том же
направлении, что м и человек.

Возврат в начало

В каком из случаев веревка сильнее растягивается — если человек тянет ее
руками за концы в разные стороны или если он тянет обеими руками за один
конец, привязав другой к стенке? Считать, что в обоих случаях каждая рука
действует на веревку с одной и той же силой.

Во втором случае веревка растягивается сильнее. Если
считать, что каждая рука действует на веревку с силой, равной по модулю
F, то в первом случае веревка испытывает действие
силы F, а во втором случае — 2F.

Возврат в начало

Во время полнолуния большие тёмные пятна на Луне видны в верхней части её
диска. Почему на картах Луны эти пятна располагаются в нижней части?

Изображение Луны на картах соответствует её изображению, полученному с
помощью  телескопа.

Возврат в начало

Как будет изменяться период колебаний ведерка с водой, подвешенного на
длинном шнуре, если из отверстия в его дне постепенно будет вытекать вода?

Для данной
системы хорошим приближением является модель математического маятника,
период колебаний которого зависит от его длины.

Если ведро
первоначально заполнено целиком, то сначала при вытекании воды период
колебаний будет увеличиваться. Это объясняется тем, что центр тяжести
системы «ведро-вода»  будет  понижаться, и вследствие этого будет
расти длина маятника. Затем будет происходить уменьшение периода вследствие
повышения центра тяжести системы «ведро-вода». Когда вся вода из ведерка 
выльется, период колебаний станет равен первоначальному, т.к. восстановится
первоначальная длина маятника.

Возврат в начало

Copyright
© Калашникова Наталия Ивановна, учитель физики МБОУ «СШ №3» г.
Глазов, УР, 2006-2013.