Η κατανόηση των φυσικών όρων και η γνώση των ορισμών των ποσοτήτων παίζει σημαντικό ρόλο στη μελέτη διαφόρων νόμων και στην επίλυση προβλημάτων στη φυσική. Μία από τις θεμελιώδεις έννοιες είναι η έννοια της μάζας σώματος. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην ερώτηση: τι είναι το σωματικό βάρος;
Ιστορία
Λαμβάνοντας υπόψη τη σύγχρονη άποψη της φυσικής, μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι η μάζα ενός σώματος είναι ένα χαρακτηριστικό που εκδηλώνεται κατά την κίνηση, κατά την αλληλεπίδραση μεταξύ πραγματικών αντικειμένων, καθώς και κατά τους ατομικούς και πυρηνικούς μετασχηματισμούς. Ωστόσο, αυτή η κατανόηση της μάζας διαμορφώθηκε πολύ πρόσφατα, κυριολεκτικά στις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα, χάρη στη θεωρία της σχετικότητας που δημιούργησε ο Αϊνστάιν.
Επιστρέφοντας περαιτέρω στην ιστορία, υπενθυμίζουμε ότι ορισμένοι φιλόσοφοι της αρχαίας Ελλάδας πίστευαν ότι η κίνηση δεν υπάρχει, επομένως δεν υπήρχε η έννοια της μάζας σώματος. Ωστόσο, υπήρχε μια έννοια του σωματικού βάρους. Για να γίνει αυτό, αρκεί να θυμηθούμε τον νόμο του Αρχιμήδη. Το βάρος σχετίζεται με το σωματικό βάρος. Ωστόσο, δεν έχουν την ίδια τιμή.
ΒΣτη σύγχρονη εποχή, χάρη στα έργα του Ντεκάρτ, του Γαλιλαίου και ιδιαίτερα του Νεύτωνα, διαμορφώθηκαν οι έννοιες δύο διαφορετικών μαζών:
- inertial;
- βαρυτική.
Όπως αποδείχθηκε αργότερα, και οι δύο τύποι μάζας σώματος έχουν την ίδια τιμή, η οποία από τη φύση της είναι χαρακτηριστική για όλα τα αντικείμενα γύρω μας.
Αδρανειακό
Μιλώντας για την αδρανειακή μάζα, πολλοί φυσικοί αρχίζουν να δίνουν έναν τύπο για τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, στον οποίο η δύναμη, η μάζα σώματος και η επιτάχυνση συνδέονται σε μία ισότητα. Ωστόσο, υπάρχει μια πιο θεμελιώδης έκφραση από την οποία ο ίδιος ο Νεύτωνας διατύπωσε το νόμο του. Έχει να κάνει με το μέγεθος της κίνησης.
Στη φυσική, η ορμή νοείται ως μια τιμή ίση με το γινόμενο της μάζας σώματος m και την ταχύτητα της κίνησής της στο διάστημα v, δηλαδή:
p=mv
Για οποιοδήποτε σώμα, οι τιμές p και v είναι διανυσματικές μεταβλητές του χαρακτηριστικού. Η τιμή m είναι κάποια σταθερά συντελεστή για το εξεταζόμενο σώμα, που συνδέει τα p και v. Όσο μεγαλύτερος είναι αυτός ο συντελεστής, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τιμή του p σε σταθερή ταχύτητα και τόσο πιο δύσκολο είναι να σταματήσει η κίνηση. Δηλαδή, η μάζα ενός σώματος είναι χαρακτηριστικό των αδρανειακών του ιδιοτήτων.
Χρησιμοποιώντας τη γραπτή έκφραση για το p, ο Newton απέκτησε τον περίφημο νόμο του, ο οποίος περιγράφει μαθηματικά την αλλαγή της ορμής. Συνήθως εκφράζεται με την ακόλουθη μορφή:
F=ma
Εδώ F είναι η δύναμη που ασκεί σε ένα σώμα με μάζα m και του δίνει επιτάχυνση a. Οπως λέμεΣτην προηγούμενη έκφραση, η μάζα m είναι ο παράγοντας αναλογικότητας μεταξύ των δύο διανυσματικών χαρακτηριστικών. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο πιο δύσκολο είναι να αλλάξει η ταχύτητά του (μικρότερη από α) με τη βοήθεια μιας σταθερής ενεργού δύναμης F.
Βαρύτητα
Σε όλη την ιστορία, η ανθρωπότητα ακολούθησε τον ουρανό, τα αστέρια και τους πλανήτες. Ως αποτέλεσμα πολυάριθμων παρατηρήσεων τον 17ο αιώνα, ο Ισαάκ Νεύτων διατύπωσε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, δύο μαζικά αντικείμενα έλκονται μεταξύ τους σε αναλογία με δύο σταθερές M1 και M2 και αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο του η απόσταση R μεταξύ τους, δηλαδή:
F=GM1 M2 / R2
Εδώ G είναι η σταθερά βαρύτητας. Οι σταθερές M1 και M2 ονομάζονται βαρυτικές μάζες αντικειμένων που αλληλεπιδρούν.
Έτσι, η βαρυτική μάζα ενός σώματος είναι ένα μέτρο της δύναμης έλξης μεταξύ πραγματικών αντικειμένων, που δεν έχει καμία σχέση με την αδρανειακή μάζα.
Σωματικό βάρος και μάζα
Αν η παραπάνω έκφραση εφαρμόζεται στη δύναμη της βαρύτητας στον πλανήτη μας, τότε μπορεί να γραφεί ο ακόλουθος τύπος:
F=mg, όπου g=GM / R2
Εδώ M και R είναι η μάζα του πλανήτη μας και η ακτίνα του, αντίστοιχα. Η τιμή του g είναι η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης γνωστή σε κάθε μαθητή. Το γράμμα m υποδηλώνει τη βαρυτική μάζα του σώματος. Αυτός ο τύπος σας επιτρέπει να υπολογίσετε τη δύναμη έλξης από τη Γη ενός σώματος με μάζα m.
Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη F πρέπει να είναιισούται με την αντίδραση του υποστηρίγματος Ν στο οποίο στηρίζεται το σώμα. Αυτή η ισότητα μας επιτρέπει να εισάγουμε μια νέα φυσική ποσότητα - βάρος. Βάρος είναι η δύναμη με την οποία το σώμα τεντώνει την ανάρτηση ή πιέζει ένα συγκεκριμένο στήριγμα.
Πολλοί άνθρωποι που δεν είναι εξοικειωμένοι με τη φυσική δεν κάνουν διάκριση μεταξύ των εννοιών του βάρους και της μάζας. Ταυτόχρονα, είναι εντελώς διαφορετικές αξίες. Μετριούνται σε διαφορετικές μονάδες (μάζα σε κιλά, βάρος σε νιούτον). Επιπλέον, το βάρος δεν είναι χαρακτηριστικό του σώματος, αλλά η μάζα είναι χαρακτηριστικό. Ωστόσο, μπορείτε να υπολογίσετε τη μάζα ενός σώματος m, γνωρίζοντας το βάρος του P. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
m=P / g
Η μάζα είναι ένα μοναδικό χαρακτηριστικό
Σημειώθηκε παραπάνω ότι η μάζα ενός σώματος μπορεί να είναι βαρυτική και αδρανειακή. Κατά την ανάπτυξη της θεωρίας της σχετικότητας, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν βασίστηκε στην υπόθεση ότι οι χαρακτηρισμένοι τύποι μάζας αντιπροσωπεύουν το ίδιο χαρακτηριστικό της ύλης.
Μέχρι τώρα, πολλές μετρήσεις και των δύο τύπων μάζας σώματος έχουν πραγματοποιηθεί σε διάφορες καταστάσεις. Όλες αυτές οι μετρήσεις οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η βαρυτική και η αδρανειακή μάζα συμπίπτουν μεταξύ τους με την ακρίβεια των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό τους.
Η ταχεία ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας στα μέσα του περασμένου αιώνα βάθυνε την κατανόηση της έννοιας της μάζας, η οποία αποδείχθηκε ότι σχετίζεται με την ενέργεια μέσω της σταθεράς ταχύτητας του φωτός. Η ενέργεια και η μάζα ενός σώματος είναι μια εκδήλωση κάποιας μοναδικής ουσίας της ύλης.
