Težina i bestežinsko stanje
Što je sila? Ili još važnije: Po čemu možemo znati djeluje li na neko tijelo sila ili ne djeluje? Intuitivno, mi osjećamo što se misli pod tim pojmom koji proizlazi iz napora guranja, bacanja ili vučenja; od mišićnog osjeta povezanog sa svakim od ovih. Ali njegova generalizacija ide dalje od ovih jednostavnih primjera. Mi možemo misliti o sili čak i bez predočavanja konja koji vuče! Govorimo o sili privlačenja između Sunca i Zemlje, Zemlje i Mjeseca, ili o silama koje uzrokuju plime. Govorimo o silama kojima Zemlja postiže da mi sami i svi predmeti oko nas ostanu unutar područja njenog utjecaja, i o sili kojom vjetar stvara valove na moru, ili miče lišće drveća. Kad god i gdje god opažamo promjenu brzine, za to moramo, u općem smislu smatrati odgovornom vanjsku silu. Newton je u svom djelu Principia napisao:
Što je u stvari težina?
U sustavu koji miruje ili se giba jednoliko po pravcu brzina ima stalni iznos i smjer, i ne možemo razlikovati gibanje od stanja mirovanja. Dok u sustavu koji mijenja brzinu, ubrzanja možemo osjetiti. U automobilu možemo čak i zatvorenih očiju reći kada vozilo ubrzava, usporava ili skreće u zavoju. Međutim samo zato što možemo osjetiti ubrzanja ne znači da mi uvijek osjećamo ubrzanje.
Na primjer u slobodnom padu, osjećamo bestežinsko stanje – imamo osjećaj kao da lebdimo, a ne kao da se ubrzavamo (kao u autu). Ako skočimo sa stolice, ubrzavamo se dok padamo ali tijekom padanja ne osjećamo ubrzavanje. Kada astronauti izlaze iz svoje kapsule u svemirsku šetnju, oni su u slobodnom padu, i centripetalno se ubrzavaju prema Zemlji, ali oni izgledaju i osjećaju se kao da lebde – a ne kao da padaju. Prema tome, kada biste bili bačeni u slobodan pad, sila teža vas privlači prema Zemlji iznosom mg, i djelovanje sile se očituje u ubrzavanju prema tlu, ali pri tome ne osjećate svoju težinu – osjećate se kao da lebdite.
Ako, međutim, sjedite ili stojite Zemlja vas vuče prema dolje silom iznosa mg, a pod ili vaš stolac gura vas prema gore jednakom silom reakcije tako da je ukupna sila jednaka nuli, i vaše ubrzanje u vertikalnom smjeru je također nula – tada osjećate težinu. Kada bi zajedno sa stolicom slobodno padali, stolica vas ne bi gurala prema gore pa bi jedina sila bila sila teža prema dolje i vi bi se ubrzavali prema dolje – ali ne bi osjećali težinu. Moramo dakle zaključiti, ako na nas djeluje samo sila teža mg, nalazimo se u bestežinskom stanju. Sila teža nas čini "teškima", ali osjećaj težine daje nam reakcija podloge silom prema gore a ne sila teža koja nas vuče dolje. Osjećaj i mjerenje težine omogućeno je time što je tijelo spriječeno da mijenja brzinu. Djelovanje sile tada se očituje kao deformacija. U vagama i dinamometrima deformira se opruga, a ako sjedimo ili stojimo deformira se podloga i dio našeg tijela koji trpi reakciju podloge.
Homogena sila kakva je gravitacija djeluje jednako na svaki djelić mase tijela po čitavom volumenu u gravitacijskom polju, a nehomogeno djelovanje reakcije podloge je jače na dijelove uz podlogu, koja reakcijom djeluje lokalno, i smanjuje se prema dijelovima tijela koji su po visini dalje od podloge.
To možemo ilustrirati analogijom s diskretnim tijelima kakva susrećemo pri slaganju kutija. Naime u transportu paketa stavlja se na kutije međunarodno usvojeni ISO simbol, kao upozorenje na maksimalan broj kutija (n) koje se smiju složiti jedna na drugu kako se one najniže u slogu ne bi zdrobile, iako su u gravitacijskom polju svi paketi jednako teški. Mogli bismo reći da reakcija podloge djeluje "anizotropno" na kutije u slogu.
Bestežinsko stanje postiže se "izmicanjem" podloge čime ćemo omogućiti da se tijelo ubrzava prema dolje s istim ubrzanjem kakvim djeluje i gravitacijska sila.
Deformacija
Dinamometar ili bilo koja vaga na oprugu mjeri silu svojom deformacijom, a to zahtijeva dodatno pojašnjenje. Naime spriječenost tijela da mijenja brzinu podrazumijeva da postoji sila koja se protivi promjeni brzine. Zaključujemo da se deformacija događa pod djelovanjem dviju sila. Primjerice, djelovanje gravitacije na predmet na stolu ne očituje se u mijenjanju brzine jer to sprječava reakcija podloge, nego deformacijom kontaktnih površina stola i samog predmeta na mikro-razini. Ako bismo izmaknuli stol, počelo bi ubrzavanje predmeta prema podu. Kada bi isti predmet bio na stolu u bestežinskom stanju tada ne bi bilo defomacije.
Isto tako, oprugu možemo sabiti ili rastegnuti ali za to su potrebna dva suprotna djelovanja koja se poništavaju, a kao posljedicu imamo mirovanje deformiranog tijela.
Slika 1. Udarac baseball-palice deformira lopticu i ona u tom trenutku više ne može mijenjati brzinu - zaustavljena je. Deformacija opruge pri stiskanju ili rastezanju posljedica je druge sile koja onemogućava promjenu brzine pa opruga ostaje u mirovanju ali deformirana. Bez te druge sile pritiskanje ili povlačenje opruge na jednom kraju dovelo bi do njenog gibanja odnosno do promjene brzine.
Slika 1a. a) Skok u vodu s vagom vezanom za stopala tj. bez reakcije podloge pokazuje bestežinsko stanje. Nema deformacije opruge vage jer nema druge sile. Vaga i opruga u njoj pod djelovanjem gravitacije zato mijenjaju brzinu. b) Nakovanj sprječava mjenjanje brzine užarenog željeza i svojom reakcijom omogućava deformaciju kovanjem.
Posijemo li pšenicu u posudu koja se za vrijeme klijanja i rasta pšenice neprekidno okreće, vlati će rasti usmjerene prema smjeru u kojem se biljka najlakše odupire savijanju. Taj smjer određuje težina, tj. sila kojom podloga pritišće biljku, a iskustvo nam kaže da biljke rastu u smjeru te sile. Okreće li se zrnje približno s 90 okr/min ta vrtnja mijenja smjer težine. Biljka raste u smjeru vektorskog zbroja sila reakcije tla (suprotan od mg) i centripetalne sile mω2r. Ove sile izvana, nehomogeno, "guraju" zrno koje je kao cjelina, homogeno izloženo sili teži (mg). Sila gravitacije djeluje homogeno na svaki "djelić" tijela u polju sile, dok je težina kao reakcija podloge nehomogena s gradijentom od podloge prema vrhu tijela.
Umjetno stvorena težina u svemirskoj stanici
Da bismo u svemiru oponašali utjecaj gravitacije nije nam potrebna sila slična sili teži prema dolje, nego samo reakcija podloge, pravog iznosa, usmjerena prema gore!Najprije, razmotrimo ne-rotirajuću svemirsku stanicu negdje u svemiru. Uočite da astronaut unutar stanice lebdi. Budući da su i astronaut i svemirska stanica u slobodnom padu, astronaut (i sve ostalo u svemirskoj stanici) osjeća "bestežinsko stanje".
Ali ako stanica rotira nekom kutnom brzinom, težinu će stvarati centripetalna sila pritiskom vanjske stjenke stanice. Time se postiže reakcija podloge kakvom tlo djeluje na čovjeka na Zemlji. I astronauti će imati osjećaj težine! Nema gravitacijske sile – samo reakcija podloge – astronaut nije stvarno teži, on samo osjeća težinu. Sve što trebamo učiniti jest da brzinu vrtnje svemirske stanice prilagodimo tako da centripetalna sila kojom stanica djeluje na astronauta bude jednaka težini astronauta na Zemlji, tj. mg, i on će osjećati svoju normalnu težinu (ali neće biti pod djelovanjem sile teže!!).
Jesu li težište i središte mase iste točke?
Pojmovi "težište" i "centar mase" često se koriste kao sinonimi, ali između njih postoji suptilna razlika, posebno u kontekstu gradijenta gravitacijske sile.
Središte mase: Odnosi se na točku u tijelu ili sustavu tijela u kojoj se može smatrati da je koncentrirana cijela masa sustava. To je prosječna lokacija raspodjele mase unutar sustava.
Težište: To je točka u kojoj se može smatrati da sila gravitacije djeluje na tijelo ili sustav. Slično je središtu mase, ali se posebno odnosi na točku u kojoj gravitacijska sila učinkovito djeluje.
U uniformnim gravitacijskim poljima (kao što je blizu površine Zemlje), središte mase i težište se podudaraju. Međutim, u neuniformnim gravitacijskim poljima (poput onih u svemiru ili u blizini masivnih nebeskih tijela), može postojati mala razlika između te dvije točke.
Za većinu praktičnih svrha na Zemlji, posebno u kontekstu svakodnevne fizike, ovi se pojmovi često koriste kao sinonimi pa se tako težina kolokvijalno iskazuje u kilogramima koji su jedinica za masu. Međutim, u naprednim kontekstima fizike, razlika može postati važna, posebno u nebeskoj mehanici i svemirskim misijama gdje su varijacije gravitacije značajne.
