Как приручить инерцию?

Сегодняшний урок мы начнём с небольшого опыта, который мы уже с вами проводили. Итак, у нас есть три одинаковых шарика, которые одновременно скатываются с одинаковой высоты. Дорожки, по которым затем движутся шарики, отличаются: первая посыпана песком, вторая покрыта тканью, а третья — стеклом. Мы видим, что движение по третьей дорожке продолжается дольше, поскольку трение здесь наименьшее. А причиной прекращения движения шарика — это трение между поверхностями шарика и стола и, конечно, сопротивление воздуха.

А что бы было, если бы мы смогли убрать эти причины?

Правильно, шарик двигался бы с постоянной скоростью сколько угодно долго. Отсюда можно сделать простой вывод, что движение тела без действия на него других тел, как и покой, — его естественное состояние.

То, что тело остаётся в покое, если нет действия других тел, вполне понятно. Но как же тело может само по себе двигаться, если в повседневной жизни мы видим, что тело движется только тогда, когда на него действует другое тело.

Например, пусть у нас есть автомобиль и летящий над ним вертолёт, которые движутся с постоянной скоростью. Что произойдёт, если отключить их двигатели? Конечно: вертолёт упадёт на землю, а автомобиль, спустя какое-то время, остановится. Значит, чтобы машина и вертолёт продолжали двигаться с постоянной скорость необходимо, чтобы двигатели обеих машин были постоянно включены и создавали необходимую силу тяги.

Древнегреческий учёный Аристотель считал именно так. То есть он думал, что только покой — естественное состояние тела, а движение — насильственное. Тело стремится к своему естественному состоянию. Поэтому, если не поддерживать движение, оно прекращается. А поскольку в своё время Аристотель пользовался огромным авторитетом, то это неправильное понимание причин движения являлось основной догмой механики в течение почти двух тысяч лет.

Опровергнуть эти представления удалось лишь в первой половине XVII века известному итальянцу Галилео Галилею. Он применил метод, ставший в физике основным методом исследования: изучая явления природы, следует проверять каждую догадку, предположение, идею на опыте.

Проведя опыт, схожий с нашим, Галилео Галилей смог вообразить идеализированный мир — мир без трения. В результате он пришёл к выводу о том, что движение тела без действия на него других тел, как и покой, является его естественным состоянием.

Такое движение называют движением по инерции.

То есть инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость неизменной, пока на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

Это явление не является само собой разумеющимся. Понадобился гений Галилея, а позднее и Ньютона, чтобы его осознать. Ньютону вслед за Галилеем удалось окончательно развеять одно из глубочайших заблуждений человечества о законах движения тел.

Конечно же в земных условиях на тело всегда действуют какие-то другие тела. Но астрономические наблюдения за космическими аппаратами, запущенными для исследования отдалённых планет и покинувшими Солнечную систему, подтверждают, что для движения по инерции никакие силы не нужны.

Анализ многочисленных опытов и умозаключений позволил Галилею сформулировать закон инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или их действия компенсируются.

С инерцией нам приходится встречаться постоянно. Например, при резком торможении автобуса пассажиры наклоняются вперёд, так как продолжают двигаться по инерции. При резком разгоне автобуса они отклоняются назад. Почему?

А может ли автомобиль остановиться мгновенно? Конечно нет. Как бы ни были сильны тормоза, инерция препятствует мгновенному торможению. Именно из-за инерции тормозной путь автомобиля тем больше, чем больше скорость его движения.

Надеемся, что, помня об инерции, вы не будете перебегать улицу перед движущимся транспортом и научите не делать этого своих младших братьев и сестёр.

Но инерция может приносить человеку не только неприятности, но и огромную пользу. Например, в водяных и паровых турбинах, а также в ветряных двигателях используется инерция движения воды, пара, ветра. Инерция играет полезную роль и в повседневной жизни: от выбивания пыли из ковра, до насадки на рукоятку молотка или топорика.

А теперь давайте посмотрим вот на эти два кубика. Как видите, они имеют одинаковую форму и объём. Но, судя по всему, изготовлены они из разных металлов. А чем ещё они отличаются?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём небольшой опыт. Поместим наши кубики на одинаковые тележки и заставим их двигаться под действием одинаковых сил. Не трудно увидеть, что тележки с кубиками приобрели разную скорость. Это означает, что кубики, которые находятся на тележках, обладают разными свойствами.

Свойство тела противодействовать изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения называют инертностью.

Тело, которое слабо сопротивляется действию и быстро изменяет свою скорость, обладает малой инертностью (или говорят, что оно менее инертно). И наоборот, тело, которое трудно сдвинуть с места, имеет большую инертность (более инертно).

Инертность тела проявляется при любых попытках изменить его скорость.

Продолжим наши эксперименты. На столе вы видите две практически одинаковые тележки, между которыми находится упругая металлическая пластинка, связанная нитью. Если убрать нить (пережечь её или разрезать), то пластинка распрямится и оттолкнёт тележки. Но так как тележки у нас одинаковые, то после взаимодействия они приобретут одинаковые скорости и разъедутся на одинаковые расстояния.

Теперь поставим на тележки наши кубики и повторим эксперимент.

А теперь скажите, повлияли ли инертные свойства кубиков на результат их взаимодействия?

Таким образом, видим, что инертные свойства тел определяют результат их взаимодействия между собой. Поэтому невозможно предсказать результат взаимодействия тел, не учитывая их инертные свойства.

Итак. Мы выяснили, что есть более и менее инертные тела. Но чтобы производить точные сравнения инертности разных тел, надо научиться её измерять.

Физическая величина, которая количественно определяет инертность тела, называется массой. То есть масса тела — это мера его инертности.

Интересно, что слово масса первоначально в античные времена обозначало кусок теста. Позднее смысл слова расширился, и оно стало обозначать цельный, необработанный кусок произвольного вещества. А уже как научный термин масса была введена в науку Исааком Ньютоном в 1687 году в его знаменитом труде «Математические начала натуральной философии».

Массу принято обозначать малой латинской буквой m. А единицей измерения массы в Международной системе (СИ) является один килограмм (1 кг).

— А что такое килограмм?

С 1901 до мая 2019 года ответить на этот вопрос было очень легко. Один килограмм — это единица массы, равная массе международного прототипа (или эталона) килограмма.

Эталон килограмма представлял собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм, изготовленного из сплава платины и иридия. А хранился он в Международном бюро мер и весов, расположенного в Севре близ Парижа. А копии этого эталона хранились во многих странах.

В 2019 году было дано более точное, но более сложное определение килограмма, а эталон превратился в точную гирьку с потенциально измеримой погрешностью.

Массы больших тел измеряют в тоннах:

1 т = 1000 кг.

Маленькие массы удобно выражать в граммах (г) и миллиграммах (мг):

1 г = 0,001 кг;

1 мг = 0,001 г.

В те времена, когда эталона килограмма ещё не было, люди сами придумывали разные единицы измерения. Некоторые из них сохранились и до настоящего времени. Например, до сих пор массу драгоценных камней определяют в каратах (1 карат = 0,2 г) — это масса семени одного из видов бобов.

На Руси массу измеряли фунтами (1 фунт = 409,5 г), золотниками (1 золотник = 4,3 г), лотами (1 лот = 3 золотника), пудами (1 пуд = 40 фунтов).

В своей практической жизни люди обнаружили, что масса тел не зависит от температуры, от взаимодействия с другими телами и не изменяется со временем. Например, если металлической болванке придать штамповкой другую форму, то её масса останется прежней, хотя форма и изменилась. Можно, конечно, разрезать эту болванку на кусочки. Но общая масса всё равно останется той же самой.

Чтобы определить массу тела, надо сравнить её с единицей измерения путём взвешивания на весах. Существуют различные типы весов: рычажные, пружинные, электронные и так далее.

Наиболее простыми являются рычажные весы. Они состоят из коромысла, к которому с двух сторон подвешиваются одинаковые чашки. На одну чашку весов кладут тело, массу которого хотят определить, на другую — гирьки, массы которых заранее известны. Гирьки подбирают так, чтобы уравновесить коромысло весов. Тогда масса тела будет равна сумме масс гирек, с помощью которых были уравновешены весы.

А теперь давайте подумаем, от чего же зависит масса тела?

Для ответа на этот вопрос проведём несколько опытов. Вот у нас есть два цилиндра, изготовленные из одного и того же металла, но имеющие разные размеры (разный объём). Поместим эти цилиндры на чаши весов. Как видим, масса большого цилиндра больше массы маленького цилиндра. Какой отсюда следует вывод?.. Правильно: масса тела зависит от его объёма.

Повторим опыт. Но теперь мы будем использовать цилиндры одинакового объёма, но изготовленные из разных веществ. Не трудно заметить, что имея одинаковый объем, масса одного цилиндра больше массы другого цилиндра.

Значит, масса тела зависит от вещества, из которого оно состоит.

А теперь самостоятельно ответьте на вопрос: какую тележку легче сдвинуть с места — нагруженную камнями, или нагруженную перьевыми подушками, имеющими равный с камнями объём?

Ну конечно же, тележку с подушками. Её же масса меньше. Значит, масса единицы объёма подушек и единицы объёма камней разная.

Так вот, физическая величина, равная массе вещества, содержащегося в единице объёма, называется плотностью вещества.

Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объём. А обозначается плотность греческой буквой ρ:

Единицей плотности в СИ является один килограмм на кубический метр (1 кг/м³).

Плотность показывает, чему равна масса вещества (в килограммах), взятого в объёме 1 м³.

Тогда подумаем, что значит: плотность мрамора равна 2700 кг/м³. Это значит, что 1 м³ мрамора (например, куб с ребром один метр) имеет массу 2700) килограммов.

Но иногда плотность веществ удобно выражать в граммах на кубический сантиметр. В этом случае плотность будет показывать, чему равна масса вещества (в граммах), взятого в объёме 1 см³.

Например, плотность дистиллированной воды равна 1 г/см³ означает, что один кубический сантиметр воды имеет массу один грамм.

Зная плотность вещества, из которого изготовлено тело, можно рассчитать его массу или объём.