Понимание физических терминов и знание определений величин играет важную роль при изучении различных законов и для решения задач в физике. Одной из фундаментальных концепций является понятие о массе тела. Рассмотрим подробнее вопрос: что это - масса тела?
История
Принимая во внимание современный взгляд на физику, можно с уверенностью сказать, что масса тела - это характеристика, которая проявляет себя во время движения, во время взаимодействия между реальными объектами, а также при атомных и ядерных превращениях. Однако это понимание массы окончательно оформилось совершенно недавно, буквально в первые десятилетия XX века благодаря созданной Эйнштейном теории относительности.
Возвращаясь дальше в историю, напомним, что некоторые философы античной Греции полагали, что движения не существует, поэтому понятия о массе тела не было. Тем не менее существовало понятие о весе тела. Для этого достаточно вспомнить закон Архимеда. Вес связан с массой тела. Это, однако, не одна и та же величина.
В эпоху Нового времени благодаря работам Декарта, Галилея и особенно Ньютона сформировались понятия о двух разных массах:
- инерционной;
- гравитационной.
Как выяснилось впоследствии, оба вида массы тел - это одна и та же величина, которая по своей природе свойственна всем окружающим нас объектам.
Инерционная
Говоря об инерционной массе, многие физики начинают приводить формулу для второго закона Ньютона, в которой сила, масса тела и ускорение связаны в одно равенство. Тем не менее существует более фундаментальное выражение, из которого сам Ньютон сформулировал свой закон. Речь идет о количестве движения.
В физике под количеством движения понимают величину, равную произведению массы тела m на скорость его перемещения в пространстве v, то есть:
p = m * v
Для любого тела величины p и v - это векторные переменные характеристики. Величина же m - это некоторый постоянный для рассматриваемого тела коэффициент, который связывает p и v. Чем больше этот коэффициент, тем больше будет величина p при постоянной скорости и тем сложнее остановить движение. То есть масса тела - это характеристика инерционных его свойств.
Используя записанное выражение для p, Ньютон получил свой знаменитый закон, который описывает математически изменение количества движения. Его принято выражать в следующей форме:
F = m * a
Здесь F - сила, которая действует на тело с массой m и сообщает ему ускорение a. Как и в предыдущем выражении, масса m - это коэффициент пропорциональности между двумя векторными характеристиками. Чем больше масса тела, тем сложнее изменить его скорость (меньше a) с помощью постоянной действующей силы F.
Гравитационная
В течение всей истории человечество следило за небом, звездами и планетами. В результате многочисленных наблюдений в XVII веке Исаак Ньютон сформулировал свой закон всемирного тяготения. Согласно этому закону, два массивных объекта притягиваются друг к другу пропорционально двум константам M1 и M2 и обратно пропорционально квадрату дистанции R между ними, то есть:
F = G * M1 * M2 / R2
Здесь G - гравитационная постоянная. Константы M1 и M2 называются гравитационными массами взаимодействующих объектов.
Таким образом, гравитационная масса тела - это мера силы притяжения между реальными объектами, которая не имеет ничего общего с массой инерционной.
Вес тела и масса
Если выражение выше применить к силе тяготения на нашей планете, тогда можно записать следующую формулу:
F = m * g, где g = G * M / R2
Здесь M и R - масса нашей планеты и ее радиус, соответственно. Величина g - это знакомое каждому школьнику ускорение свободного падения. Буквой m обозначена гравитационная масса тела. Эта формула позволяет рассчитать силу притяжения Землей тела массой m.
Согласно третьему ньютоновскому закону, сила F должна быть равна реакции опоры N, на которой покоится тело. Это равенство позволяет ввести новую физическую величину - вес. Весом называют силу, с которой тело растягивает подвес или давит на определенную опору.
Многие люди, которые не знакомы с физикой, не различают понятия веса и массы. В то же время это совершенно разные величины. Они измеряются в разных единицах (масса в килограммах, вес в ньютонах). Кроме того, вес не является характеристикой тела, масса же ею является. Тем не менее рассчитать массу тела m можно, зная его вес P. Это осуществляется по следующей формуле:
m = P / g
Масса - единая характеристика
Выше отмечалось, что масса тела бывает гравитационная и инерционная. Разрабатывая свою теорию относительности, Альберт Эйнштейн исходил из предположения, что отмеченные виды массы представляют собой одну и ту же характеристику вещества.
До настоящего времени были проведены многочисленные измерения обоих видов масс тел в различных ситуациях. Все эти измерения привели к выводу: гравитационная и инерционная массы совпадают между собой с точностью приборов, которые использовались для их определения.
Стремительное развитие атомной энергетики в середине прошлого века углубило понимание концепции массы, которая оказалась связанной с энергией через константу скорости света. Энергия и масса тела - это проявление некоторой единой сущности материи.
