§ 62. Исчезновение деформаций при падении тел.

Совсем иная картина получится в том случае, когда единственной силой, сообщающей телу ускорение, является сила тяжести, т. е. когда тело свободно падает. Мы видели, что если тело, на которое действует сила тяжести, покоится (для этого оно должно быть подвешено или поставлено на опору), оно оказывается деформированным (§ 60). Но если тело начинает свободно падать, например, если пережечь нить, на которой висит пружина, то можно заметить, что деформация пружины быстро исчезает и пружина остается в недеформированном состоянии до конца свободного падения.

Рис. 86. При пережигании нити шарик А движется с ускорением, большим , а шарик В — с ускорением, меньшим , и шарики сближаются; деформация пружины исчезает

Легко объяснить, почему во время свободного падения исчезает деформация, рассмотрев вместо пружины тело, состоящее из двух масс, соединенных легкой пружиной (рис. 86). Пока тело висит на нити, прикрепленной к верхней массе, нить и пружина растянуты; нить действует на верхнюю массу с силой, направленной вверх, пружина действует на верхнюю массу с силой, направленной вниз, а на нижнюю — с силой, направленной вверх. Силы эти таковы, что они уравновешивают силы тяжести, действующие на каждую из масс (массой пружины пренебрегаем), и обе, массы остаются в покое (пружина действует с силой, равной весу нижней массы, а нить — с силой, равной весу обеих масс).

Пережжем нить, поддерживающую тело. Вначале на обе массы, кроме силы тяжести, будут еще действовать силы со стороны растянутой пружины. Так как сила, действующая на верхнюю массу, направлена вниз, то верхняя масса начинает падать с ускорением большим, чем ускорение свободного падения . Наоборот, на нижнюю массу со стороны пружины действует сила, направленная вверх, вследствие чего нижняя масса будет падать с ускорением, меньшим . Поэтому верхняя масса будет догонять нижнюю, пружина будет сжиматься, и сила, с которой она действует на массы, уменьшаться. Когда пружина сократится до нормальной длины, она перестанет действовать на массы, и на них будет действовать только сила тяжести. Поэтому обе массы дальше будут падать с одинаковым ускорением, равным , а пружина будет оставаться в недеформированном состоянии.

Все сказанное о пружинах относится и ко всем упругим телам. Пока упругое тело, на которое действует сила тяжести, прикреплено к подвесу, оно обязательно оказывается деформированным. Когда же сила со стороны подвеса перестает действовать, деформации исчезают, и при свободном падении тело оказывается в недеформированном состоянии. Здесь сказывается принципиальное различие между силой тяжести, которая сообщает всем элементам тела одинаковое ускорение, и силами, возникающими при непосредственном соприкосновении, которые действуют только на те или иные участки поверхности тела и поэтому, как было показано выше, вызывают деформации ускоряемого тела.

Такая же картина исчезновения деформаций будет и в теле, начинающем свободно падать вместе с подставкой, на которой оно покоилось, с той разницей, что первоначальная деформация будет сжатием, а не растяжением, как в только что рассмотренном случае. Следует подчеркнуть, что деформации падающего тела полностью исчезают только в случае свободного падения тела, когда никакие другие силы, кроме силы тяжести, на падающее тело не действуют. Если на тело действуют какие-либо силы, например сопротивление воздуха, то деформации полностью не исчезают.

С полным или частичным исчезновением деформаций при падении связано то ощущение, которое испытывает человек при падении, — парашютист в начале прыжка (до раскрытия парашюта), пловец, прыгающий в воду, человек в лифте, когда лифт начинает быстро опускаться, и т. п. В нормальных условиях органы человека находятся в деформированном состоянии. При падении эти деформации исчезают или (при несвободном падении, как в начинающем опускаться лифте) уменьшаются. Отсутствие привычных деформаций и вызывает характерное ощущение, испытываемое при прыжке. Это ощущение есть кратковременное ощущение невесомости — то самое, которое космонавты испытывают во все время орбитального полета в космическом корабле.