В сегодняшней статье порассуждаем о том, что такое физическое тело. Без сомнения, данный термин уже не раз встречался вам за годы школьной учебы. С понятиями "физическое тело", "вещество", "явление" мы впервые сталкиваемся на уроках природоведения. Они являются предметом изучения большинства разделов специальной науки - физики.
Согласно определению, понятие "физическое тело" обозначает определенный материальный объект, обладающий формой и явно выраженной внешней границей, которая отделяет его от внешней среды и прочих тел. Кроме того, физическому телу присущи такие характеристики, как масса и объем. Данные параметры являются базовыми. Но кроме них имеются и другие. Речь идет о прозрачности, плотности, упругости, твердости и т. п.
Физические тела: примеры
Говоря упрощенно, любой из окружающих предметов мы можем назвать физическим телом. Самые привычные их примеры - книга, стол, машина, мяч, чашка. Простым телом физика называет то, чья геометрическая форма несложна. Составные физические тела - это те, что существуют в виде комбинаций скрепленных между собой простых тел. Например, очень условно человеческую фигуру можно представить в виде совокупности цилиндров и шаров.
Материал, из которого состоит любое из тел, именуется веществом. При этом они могут содержать в своем составе как одно, так и ряд веществ. Приведем примеры. Физические тела - столовые приборы (вилки, ложки). Изготовлены они чаще всего из стали. Нож может послужить примером тела, состоящего из двух разных видов веществ - стального лезвия и деревянной рукоятки. А такое сложное изделие, как сотовый телефон, производится из гораздо большего количества "ингредиентов".
Какими бывают вещества
Они могут быть природными и созданными искусственно. В древние времена все необходимые предметы люди изготавливали из натуральных материалов (наконечники стрел - из камней, теплую одежду - из звериных шкур). С развитием технического прогресса появились вещества, созданные человеком. И в настоящее время таковых - большинство. Классическим примером физического тела искусственного происхождения может служить пластик. Каждый его вид создавался человеком с целью обеспечения нужных качеств того или иного предмета. Например, прозрачный пластик - для линз очков, нетоксичный пищевой - для посуды, прочный - для бампера автомобиля.
Любой предмет (от каменного топора до высокотехнологичного устройства) обладает рядом определенных качеств. Одно из свойств физических тел - это их способность притягиваться друг к другу в результате гравитационного взаимодействия. Измеряется оно при помощи физической величины, именуемой массой. По определению физиков, масса тел - это мера их гравитации. Она обозначается символом m.
Измерение массы
Данная физическая величина, как и любая другая, поддается измерению. Чтобы узнать, какова масса любого предмета, нужно сравнить его с эталоном. То есть с телом, масса которого принимается за единицу. Международной системой единиц (СИ) им считается килограмм. Такая "идеальная" единица массы существует в виде цилиндра, представляющего собой сплав иридия и платины. Данный международный образец хранится во Франции, а копии его имеются почти в каждой из стран.
Помимо килограмма используют понятие тонны, грамма или миллиграмма. Измеряют же массу тела взвешиванием. Это классический способ для повседневных расчетов. Но в современной физике есть и другие методы измерений, гораздо более современные и высокоточные. С их помощью определяют массу микрочастиц, а также гигантских объектов.
Другие свойства физических тел
Форма, масса и объем - важнейшие из характеристик. Но существуют и прочие свойства физических тел, каждое из которых важно в определённой ситуации. Например, предметы равного объема могут значительно различаться своей массой, то есть иметь разную плотность. Во многих ситуациях важны такие характеристики, как хрупкость, твердость, упругость или магнитные качества. Не следует забывать о теплопроводности, прозрачности, однородности, электропроводности и прочих многочисленных физических свойствах тел и веществ.
В большинстве случаев все подобные характеристики зависят от тех веществ или материалов, из которых предметы состоят. Например, резиновые, стеклянные и стальные шарики будут обладать абсолютно разными наборами физических качеств. Это имеет значение в ситуациях взаимодействий тел между собой, например изучении степени деформации их при сталкивании.
О принятых приближениях
Определенные разделы физики физическое тело рассматривают в качестве некой абстракции, обладающей идеальными характеристиками. Например, в механике тела представляются в виде материальных точек, не имеющих массы и прочих свойств. Данный раздел физики занимается движением таких условных точек, и для решения поставленных здесь задач подобные величины принципиального значения не имеют.
В научных расчетах часто применяется понятие абсолютно твердого тела. Таковым условно считается не подверженное никаким деформациям, с отсутствием смещения центра массы тело. Данная упрощенная модель позволяет теоретически воспроизводить ряд определенных процессов.
Раздел термодинамики в своих целях использует понятие абсолютно черного тела. А это что такое? Физическое тело (некий абстрактный предмет), способное поглощать любые попадающие на его поверхность излучения. При этом, если задача того требует, им могут излучаться электромагнитные волны. Если по условиям теоретических расчетов форма физических тел не принципиальна, по умолчанию считается, что она шарообразная.
Почему свойства тел так важны
Сама физика как таковая произошла от необходимости постичь законы, по которым ведут себя физические тела, а также механизмы существования разнообразных внешних явлений. К природным факторам можно отнести любые изменения в окружающей нас среде, не относящиеся к результатам человеческой деятельности. Многие из них люди используют себе на пользу, но другие могут быть опасными и даже катастрофическими.
Исследование поведения и самых разных свойств физических тел необходимо для людей в целях предсказания неблагоприятных факторов и предупреждения либо уменьшения наносимого ими вреда. Например, строительством волноломов люди привыкли бороться с негативными проявлениями морской стихии. Противостоять землетрясениям человечество научилось разработкой особых сейсмоустойчивых конструкций зданий. Несущие части автомобиля изготавливаются в особой, тщательно выверенной форме для уменьшения повреждений при авариях.
О структуре тел
Согласно другому определению, термин "физическое тело" подразумевает всё то, что можно признать реально существующим. Любое из них обязательно занимает часть пространства, а вещества, из которых они состоят, являются совокупностью молекул определённой структуры. Другие, более мелкие частицы его - атомы, но и каждый из них не является чем-либо неделимым и совершенно простым. Строение атома достаточно сложно. В его составе можно выделить положительно и отрицательно заряженные элементарные частицы - ионы.
Структура, согласно которой такие частицы выстраиваются в определённую систему, для твердых тел носит название кристаллической. Любой кристалл обладает определенной, строго фиксированной формой, что говорит об упорядоченном движении и взаимодействии его молекул и атомов. При изменении структуры кристаллов происходит нарушение физических свойств тела. От степени подвижности элементарных составляющих зависит его агрегатное состояние, которое может быть твердым, жидким или газообразным.
Для характеристики данных сложных явлений используется понятие коэффициентов сжатия или объемной упругости, которые являются взаимно обратными величинами.
Движение молекул
Состояние покоя ни атомам, ни молекулам твёрдых тел не присуще. Они находятся в постоянном движении, характер которого зависит от теплового состояния тела, и воздействий, которым оно в данный момент подвергается. Часть элементарных частиц - отрицательно заряженных ионов (именуемых электронами) движется с большей скоростью, чем имеющих положительный заряд.
С точки зрения агрегатного состояния, физические тела - это твердые предметы, жидкости или газы, что зависит от характера молекулярного движения. Вся совокупность твердых тел может быть поделена на кристаллические и аморфные. Движение частиц в кристалле признано полностью упорядоченным. В жидкостях молекулы двигаются по совершенно другому принципу. Они переходят из одной группы в другую, что можно образно представить подобно кочующим из одной небесной системы в другую кометам.
В любом из газообразных тел молекулы обладают гораздо более слабой связью, чем в жидких или твердых. Частицы там можно назвать отталкивающимися друг от друга. Упругость физических тел определяется сочетанием двух главных величин - коэффициента сдвига и коэффициента объемной упругости.
Текучесть тел
При всех значительных отличиях твердых и жидких физических тел между собой в свойствах их много общего. Часть из них, именуемых мягкими, занимают промежуточное агрегатное состояние между первыми и вторыми с присущими и тем, и другим физическими свойствами. Такое качество, как текучесть, можно обнаружить в твердом теле (пример - лед или сапожный вар). Присуще оно и металлам, в том числе достаточно твердым. Под давлением большинство из них способно течь подобно жидкости. Соединив и нагрев два твердых куска металла, возможно спаять их в единое целое. Причём процесс спаивания протекает при температуре гораздо более низкой, чем точка плавления каждого из них.
Данный процесс возможен при условии полного соприкосновения обеих частей. Именно таким способом получают различные металлические сплавы. Соответствующее свойство именуют диффузией.
О жидкостях и газах
По результатам многочисленных экспериментов ученые пришли к следующему выводу: твёрдые физические тела - это не какая-то обособленная группа. Различие между ними и жидкими состоит лишь в большем внутреннем трении. Переход веществ в разные состояния происходит в условиях определённой температуры.
Газы отличаются от жидкостей и твердых тел тем, что увеличения силы упругости даже при сильном изменении объёма в них не происходит. Различие между жидкостями и твердыми телами - в возникновении упругих сил в твердых телах при сдвиге, то есть изменении формы. Данного явления не наблюдается в жидкостях, которые могут принять любую из форм.
Кристаллические и аморфные
Как уже упоминалось, два возможных состояния твердых тел - аморфное и кристаллическое. К аморфным относятся тела, обладающие одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. Данное качество именуются изотропностью. В качестве примера можно привести затвердевшую смолу, изделия из янтаря, стекло. Их изотропность - результат беспорядочного расположения молекул и атомов в составе вещества.
В кристаллическом состоянии элементарные частицы расположены в строгом порядке и существуют в виде внутренней структуры, периодически повторяющейся в разных направлениях. Физические свойства таких тел отличаются, но в параллельных направлениях они совпадают. Такое свойство, присущее кристаллам, именуют анизотропностью. Ее причина - неодинаковая сила взаимодействия между молекулами и атомами в разных направлениях.
Моно- и поликристаллы
У монокристаллов внутренняя структура однородная и повторяется во всем объеме. Поликристаллы выглядят как множество хаотично сросшихся друг с другом небольших кристаллитов. Составляющие их частицы располагаются на строго определённом расстоянии друг от друга и в нужном порядке. Под кристаллической решеткой понимается совокупность узлов, то есть точек, служащих центрами молекул либо атомов. Металлы с кристаллической структурой служат материалом для каркасов мостов, зданий и других прочных конструкций. Именно потому свойства кристаллических тел тщательно изучаются в практических целях.
На реальные характеристики прочности оказывают негативное воздействие дефекты кристаллической решетки, как поверхностные, так и внутренние. Подобным свойствам твёрдых тел посвящен отдельный раздел физики, именуемый механикой твердого тела.
