Взаимодействие тел и масса

Вы уже знаете, что самое «любимое» состояние окружающих нас тел — это состояние покоя. Предметы могут оставаться неподвижными длительное время, пока что-то или кто-то не нарушает их покой. Представим, что у нас есть стальной шарик, висящий на нити. Пока ничто не влияет на него, он остаётся неподвижным. Но стоит нам поднести к шарику магнит, то шарик начнёт к нему притягиваться, то есть придёт в движение.

Уберём магнит и подождём пока шарик перестанет колебаться. Теперь перережем или пережжём нить, удерживающую шарик. Шарик упал. Причём падение его было ускоренным, потому что сила притяжения Земли больше не компенсируется натяжением нити.

Так мы вновь убеждаемся, что изменение скорости тела происходит благодаря воздействию на него других тел. Но если мы говорим, что первое тело действует на второе, то и второе тело, по-видимому, как-то действует на первое. Такое Действие тел друг на друга называется взаимодействием. Мы постоянно встречаемся с ним в повседневной жизни: удар клюшкой по шайбе, столкновения бильярдных шаров, сжатие пружины, давление стопы на землю — все эти явления являются примерами взаимодействия тел.

Теперь рассмотрим следующий эксперимент. Возьмём тележку и прикрепим к ней упругую, изогнутую пластинку, закреплённую нитью. Как вы думаете, что случится, если мы уберём нить? Действительно, ничего. Пластинка, распрямляясь, не окажет никакого воздействия на другие тела, так как их нет. Поэтому тележка останется неподвижной.

Теперь поставим рядом вторую такую же тележку и повторим эксперимент. Теперь пластинка, распрямляясь, воздействует на вторую тележку, а та, в свою очередь, воздействует на первую. В итоге обе тележки начинают двигаться в противоположных направлениях относительно стола.

Этот опыт доказывает, что действие одного тела на другое не может быть односторонним. Оба тела действуют друг на друга, то есть взаимодействуют.

В результате взаимодействия оба тела могут изменить свою скорость (начать движение или остановиться), а также изменить направление своего движения. При этом у разных тел скорости изменяются по-разному.

В нашей повседневной жизни мы регулярно наблюдаем примеры взаимодействия тел. Но одним из ярких примеров такого взаимодействия является ситуация с пушкой и снарядом. Перед выстрелом снаряд находится в состоянии покоя относительно пушки. В момент выстрела пушка и снаряд начинают двигаться в противоположных направлениях. Это явление известно как отдача.

Продолжим изучение движения тележек, к одной из которых прикреплена стянутая нитью пластина. Вы могли заметить, что если в опыте используются одинаковые тележки, то после удаления нити они разъезжаются приблизительно с одинаковой скоростью и на одинаковое расстояние.

Но что произойдёт, если на одну из тележек поместить гирю? Давайте проверим. Легко заметить, что тележки начали двигаться с разной скоростью: тележка с гирей движется гораздо медленнее, чем пустая тележка.

Свойство тела противостоять изменению своего состояния покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью.

Тело, которое слабо сопротивляется внешнему воздействию и быстро меняет свою скорость, обладает малой инертностью (его называют менее инертным) и имеет меньшую массу. Напротив, тело, которое сложно сдвинуть с места, характеризуется большой инертностью (оно считается более инертным) и имеет большую массу.

Инертность тела проявляется всякий раз, когда пытаются изменить его скорость.

Даже ребёнку несложно разогнать или остановить игрушечный автомобиль. Но потребуется мощный локомотив, чтобы сдвинуть с места гружёный состав. Ракеткой для бадминтона легко изменить скорость и направление полёта лёгкого волана. Однако эта ракетка не подходит для игры в большой теннис. Эти примеры демонстрируют, что инертные свойства тел определяют результат их взаимодействия между собой. По этой причине невозможно предсказать результаты взаимодействия тел, не принимая во внимание их инертные свойства.

Важно отличать инерцию от инертности. Инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость неизменной. Инертность же — это свойство самого тела противодействовать изменению своей скорости.

Теперь, когда мы поняли, что существуют тела с различной степенью инертности, возникает необходимость научиться точно измерять эту характеристику. Физической величиной, которая количественно определяет инертность тела, является масса. Таким образом, масса тела представляет собой меру его инертности. Чем больше масса тела, тем сложнее изменить его скорость при взаимодействии с другим телом, и наоборот.

На протяжении всей истории физики учёные неоднократно возвращались к обсуждению понятия массы. Несмотря на кажущуюся простоту, это понятие таит в себе много интересного. Например, вы знали, что в древние времена слово «масса» использовалось для обозначения куска теста. Позже значение слова расширилось, и оно начало обозначать цельный, необработанный кусок любого вещества. А уже как научный термин масса была введена Исааком Ньютоном в 1687 году в его знаменитой работе «Математические начала натуральной философии».

На самом деле понятие массы относится к числу наиболее фундаментальных и первичных характеристик объектов материального мира. Каждое тело, будь то человек, планета Земля, Солнце, капля воды, атом или молекула, обладает массой.

Массу обычно обозначают маленькой латинской буквой m. В Международной системе единиц (СИ) основной единицей массы является килограмм (кг).

Что же такое килограмм? С 1901 до мая 2019 года ответ на этот вопрос был довольно простым. Килограмм представлял собой единицу массы, эквивалентную массе международного эталона килограмма. Этот эталон имел форму цилиндра диаметром и высотой 39,17 мм и был изготовлен из сплава платины и иридия.

Он до сих пор находится в Международном бюро мер и весов в Севре, недалеко от Парижа. Копии этого эталона хранились в различных странах.

Однако в 2019 году было введено новое, более точное, но одновременно и более сложное определение килограмма. А эталон превратился в точную гирьку с потенциально измеримой погрешностью.

Массы больших тел удобнее измерять в тоннах и центнерах:

1 т = 1000 кг = 10³ кг;

1 ц = 100 кг = 10² кг.

Небольшие массы чаще выражают в граммах (г) и миллиграммах (мг):

1 г = 0,001 кг = 10^–3 кг;

1 мг = 0,001 г = 0,000001 кг = 10^–6 кг.

В эпоху, предшествующую созданию эталона килограмма, человечество самостоятельно разрабатывало разнообразные единицы измерения массы. Некоторые из них продолжают использоваться и сегодня. Например, масса драгоценных камней традиционно выражается в каратах (1 карат = 0,2 г), что соответствует массе семечка рожкового дерева.

На Руси существовали свои меры массы: фунты (1 фунт = 409,5 г), золотники (1 золотник = 4,3 г), лоты (1 лот = 3 золотника) и пуды (1 пуд = 40 фунтов).

А, например, в астрономии масса звёзд часто выражается в солнечных массах, где масса Солнца принимается за единицу. Например, масса одной из самых тяжёлых звёзд оценивается примерно от 226 до 315 масс Солнца.

А некоторые сверхмассивные чёрные дыры, такие как TON 618, могут иметь массу, достигающую нескольких миллиардов солнечных масс.

Существует несколько методов для определения массы тела. Один из них заключается в оценке изменения скорости тела (то есть ускорения) при его взаимодействии с эталоном. Однако этот метод используется сравнительно редко.

Наиболее популярным и древнейшим способом измерения массы является взвешивание на весах.

Весы бывают разных типов: рычажные, пружинные, электронные и многие другие.

Самыми простыми считаются рычажные весы, состоящие из коромысла, к которому с обеих сторон подвешивают одинаковые чаши. На одну чашу весов помещают объект, массу которого требуется узнать. А на другую — набор гирь с известными массами.

Гири подбираются таким образом, чтобы сбалансировать коромысло весов. Сумма масс этих гирь и даст искомую массу объекта.

Человек впервые использовал рычаг для измерения веса примерно 5000—7000 лет назад в Месопотамии. Это изобретение оказалось настолько полезным, что вскоре распространилось среди всех народов древнего мира.

В Египте, на пирамиде в Гизе, сохранилось изображение равноплечих весов, датируемых периодом правления фараона Хеопса, то есть между 2930—2750 годами до нашей эры.

Археологи также нашли гири, использовавшиеся древними египтянами. Самая маленькая из них весила всего несколько граммов.

Согласно древнеегипетским верованиям, бог Анубис, изображаемый с головой шакала, взвешивал сердца умерших на специальных весах. В них в роли противовеса служило перо богини справедливости Маат. В христианских традициях аналогичную роль выполняет архангел Михаил, взвешивающий души усопших.

Римляне внесли значительный вклад в развитие систем измерения веса. Они предложили конструкцию, в которой перемещается гиря, а точка опоры и положение груза остаются фиксированными. Один из первых экземпляров таких весов был обнаружен при раскопках в Помпеях.

На Руси использовали равноплечие весы, известные как скалвы. Однако наши предки пользовались и неравноплечими весами римской конструкции, которые поначалу назывались «пуд».

В своей практической жизни люди заметили, что масса тела не зависит от температуры, взаимодействия с другими телами и не изменяется со временем. Например, если металлическому бруску придать новую форму методом штамповки, его масса останется прежней, несмотря на изменение формы. Даже если брусок разделить на куски, суммарная масса всех частей сохранится. А вот вопрос о том, какие параметры влияют на массу, мы с вами обсудим в следующий раз.