認識重力

楊友明

300多年前，英國有一個青年，名叫艾薩克·牛頓.有一天，他正坐在蘋果樹下休息，忽然一個蘋果掉下來，砸到他的頭上.牛頓摸了摸被砸痛的地方，撿起蘋果就想到一個問題：當(dāng)把蘋果拋向空中時，它為什么不一直向上升去，而總是向下落呢？牛頓突然有一種奇怪的想法，是不是有一種看不見的力量在起作用，把蘋果拉向地面呢？過了很久，牛頓終于解答了這個問題，這是地球通過萬有引力作用的結(jié)果，這個看不見的力就是重力.

重力是怎樣產(chǎn)生的呢？重力的大小是如何計算的呢？重力在什么方向呢？重力的作用點又是如何確定的呢？

一、重力的定義

地面附近的一切物體，不管處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運動狀態(tài)，不管是否受到其他力的作用，它都受到地球的吸引，由于地球的吸引而使物體受到的力叫做重力.重力是由于物體受到地球的吸引而產(chǎn)生的，但重力并不是地球?qū)ξ矬w的吸引力，而是引力的一個分力.由于地球自身轉(zhuǎn)動對物體的影響比較小，所以在一般情況下，可以近似地認為物體的重力大小等于引力的大小.在月球上，地球?qū)ξ矬w的引力已減弱到可以忽略的程度，這時月球的引力起重要作用，到其他星球表面情況也一樣.

二、重力的三要素

1.重力的大小

生活中常把物體受到重力的大小簡稱為物重.物體重力的大小可以用彈簧測力計來測量，靜止或勻速直線運動的物體對彈簧測力計拉力的大小等于重力的大小.根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)可以得出：物體所受重力的大小與它的質(zhì)量成正比，二者之間的關(guān)系為G=mg.其中G表示物體受到的重力，單位用牛頓（N）來表示，m表示物體的質(zhì)量，單位用千克（kg）來表示，g表示物體所受重力大小與質(zhì)量之比，約等于9.8N/kg，在不要求精確的情況下，g可取10N/kg.

實際上g的大小并不是一成不變的.它的大小隨著緯度的大小而變化.如赤道的地球緯度為0°，g為9.780N/kg；北極的地球緯度90°，g為9.832N/kg.g的大小還與高度有關(guān)，海拔越高，g的值越小，反之則越大.利用重力的差異可以探礦，在密度較大的礦石附近地區(qū)，物體的重力要比周圍地區(qū)稍大些，這種方法叫重力探礦.除用于地質(zhì)勘探外，在大地測量和人造地球衛(wèi)星、導(dǎo)彈、宇宙飛船航行軌道的準(zhǔn)確推算以及天然地震的預(yù)報等方面都有廣泛的應(yīng)用.

2.重力的方向

重力的方向始終是豎直向下的.豎直向下不能說成垂直向下，豎直向下指的是與水平面相垂直，與斜面不垂直，因此講垂直向下或者與接觸面垂直都是錯誤的.與重力方向一致的線叫重垂線，建筑工人在看房子砌得直不直的時候用的就是重垂線.把繩子一端系上物體放在墻邊上，將繩子另一端拿起，如果墻跟繩子平行，就說明墻是直的，否則就是歪的.把T字形的水平儀放在工作臺面上，觀察重垂線與豎桿上的刻線是否重合，若重合，則工作臺面水平，否則就不水平.

（3）重力的作用點

一個物體的各部分都受到重力的作用，從效果上看，可以認為物體各部分受到的重力作用集中于一點，這一點叫做物體的重心.通俗點講，重心就是重力的作用點.把物體的全部質(zhì)量集中到一點將不影響研究結(jié)果.質(zhì)量均勻分布的物體，重心的位置只跟物體的形狀有關(guān).有規(guī)則形狀的物體，它的重心就在幾何中心上，例如，均勻細直棒的重心在棒的中點，均勻球體的重心在球心，均勻圓柱體的重心在軸線的中點.質(zhì)量分布不均勻的物體，形狀發(fā)生了改變，其重心位置一般也將發(fā)生改變.例如，優(yōu)秀的跳高運動員都采用“背越式”技術(shù).這是因為運動員跳高時，重心升得越高，需要的能量就越大.采用跨越式、滾式、剪式三種姿勢時的重心都要高過橫桿，而采用背越式時的重心，就不一定高過橫桿，這樣有利于運動員提高成績.重心的位置除跟物體的形狀有關(guān)外，還跟物體內(nèi)部的質(zhì)量分布有關(guān).例如，一個均勻的球殼，其內(nèi)部注滿了水，在球的底部有一個帶閥門的細出水口，在打開閥門讓水慢慢流出的過程中，球殼與其中水的共同重心將會先下降后上升.這是因為在注滿水時，球殼和水的共同重心在球心，隨著水的流出，球殼的重心不變，但水的重心下降，二者共同的重心在下降，當(dāng)水流完時，重心又回到球心.

重心的位置在生活和生產(chǎn)中有相當(dāng)重要的意義.例如，起重機在工作時，重心的位置不合適，就容易翻倒；高速旋轉(zhuǎn)的輪子，若重心不在轉(zhuǎn)軸上，就會引起激烈的振動.增大物體的支持面，降低它的重心，就會有助于提高物體的穩(wěn)定程度，如電扇底座、話筒架、公共汽車站牌等.汽車在設(shè)計制造時，通過增加底盤占整個車體重量的比例，降低汽車的重心，可以使汽車在緊急剎車或者轉(zhuǎn)彎時，保持平衡狀態(tài)，避免撞車、翻車等危及生命安全的交通事故的發(fā)生.

如何尋找形狀不規(guī)則或質(zhì)量不均勻物體的重心呢？下面介紹一些簡單的方法.

A.懸掛法.首先找一根細繩，在物體上找一點，用繩懸掛，劃出物體靜止后的重力線；同理再找一點懸掛，兩條重力線的交點就是物體的重心.

B.支撐法.用一個支點支撐物體，不斷變化位置，越穩(wěn)定的位置，越接近重心.

C.針頂法.用一根細針頂住板子的下面，當(dāng)板子保持平衡時，針頂?shù)奈恢镁徒咏匦?

通過懸掛法我們發(fā)現(xiàn)圓環(huán)的重心在圓心而不在圓環(huán)上，因此，物體的重心可以在物體上，也可以在物體外.