Розуміння фізичних термінів і знання визначень величин відіграє важливу роль при вивченні різних законів і для вирішення завдань у фізиці. Однією з фундаментальних концепцій є поняття про масу тіла. Розглянемо детальніше питання: що це – маса тіла?
Історія
Беручи до уваги сучасний погляд на фізику, можна з упевненістю сказати, що маса тіла – це характеристика, яка проявляє себе під час руху, під час взаємодії між реальними об’єктами, а також при атомних і ядерних перетвореннях. Однак це розуміння маси остаточно оформилося зовсім недавно, буквально в перші десятиліття XX століття завдяки створеній Ейнштейном теорії відносності.
Повертаючись далі в історію, нагадаємо, що деякі філософи античної Греції вважали, що руху не існує, тому поняття про масу тіла не було. Тим не менш існувало поняття про вагу тіла. Для цього достатньо згадати закон Архімеда. Вага пов’язаний з масою тіла. Це, однак, не одна і та ж величина.
В епоху Нового часу завдяки роботам Декарта, Галілея і особливо Ньютона сформувалися поняття про двох різних масах:
- інерційної;
- гравітаційною.
Як з’ясувалося згодом, обидва види маси тіл – це одна і та ж величина, яка по своїй природі властива всім оточуючим нас об’єктах.
Інерційна
Говорячи про інерційної маси, багато фізики починають приводити формулу для другого закону Ньютона, в якій сила, маса тіла і прискорення пов’язані в одне рівність. Тим не менше існує більш фундаментальний вираз, з якого сам Ньютон сформулював свій закон. Мова йде про кількість руху.
У фізиці під кількістю руху розуміють величину, що дорівнює добутку маси тіла m на швидкість його переміщення у просторі v, тобто:
p = m * v
Для будь-якого тіла величини p та v – це векторні змінні характеристики. Величина ж m – це деякий постійний для розглянутого тіла коефіцієнт, який пов’язує p і v. Чим більше цей коефіцієнт, тим більше буде величина p при постійній швидкості і тим складніше зупинити рух. Тобто маса тіла – це характеристика інерційних його властивостей.
Використовуючи записане вираз для p, Ньютон отримав свій знаменитий закон, який описує математично зміна кількості руху. Його прийнято виражати в наступній формі:
F = m * a
Тут F – сила, яка діє на тіло з масою m і повідомляє йому прискорення a. Як і в попередньому виразі, маса m – це коефіцієнт пропорційності між двома векторними характеристиками. Чим більше маса тіла, тим складніше змінити його швидкість (менше a) за допомогою постійної діючої сили F.
Гравітаційна
Протягом усієї історії людство стежило за небом, зірками і планетами. В результаті численних спостережень у XVII столітті Ісаак Ньютон сформулював свій закон всесвітнього тяжіння. Згідно з цим законом, два масивних об’єкта притягуються один до одного пропорційно двох констант M1 і M2 і назад пропорційно квадрату відстані R між ними, тобто:
F = G * M1 * M2 / R2
Тут G – гравітаційна постійна. Константи M1 і M2 називаються гравітаційними масами взаємодіючих об’єктів.
Таким чином, гравітаційна маса тіла – це міра сили тяжіння між реальними об’єктами, яка не має нічого загального з масою інерційною.
Вага тіла і маса
Якщо вираз вище застосувати до сили тяжіння на нашій планеті, тоді можна записати наступну формулу:
F = m * g, де g = G * M / R2
Тут M і R – маса нашої планети і її радіус, відповідно. Величина g – це знайоме кожному школяреві прискорення вільного падіння. Буквою m позначена гравітаційна маса тіла. Ця формула дозволяє розрахувати силу тяжіння Землею тіла масою m.
Згідно третього ньютоновскому закону, сила F повинна бути дорівнює реакції опори N, на якій покоїться тіло. Це рівність дозволяє ввести нову фізичну величину – вага. Вагою називають силу, з якою тіло розтягує підвіс або тисне на певну опору.
Багато людей, які не знайомі з фізикою, не розрізняють поняття ваги і маси. В той же час це зовсім різні величини. Вони вимірюються в різних одиницях (маса в кілограмах, вага в ньютонах). Крім того, вага не є характеристикою тіла, маса ж нею є. Тим не менш розрахувати масу тіла m можна, знаючи його вага P. Це здійснюється за наступною формулою:
m = P / g
Маса – єдина характеристика
Вище зазначалося, що маса тіла буває гравітаційна і інерційна. Розробляючи свою теорію відносності, Альберт Ейнштейн виходив з припущення, що зазначені види маси являють собою одну і ту ж характеристику речовини.
До цього часу були проведені численні вимірювання обох видів мас тіл у різних ситуаціях. Всі ці виміри привели до висновку: гравітаційна і інерційна маси збігаються між собою з точністю приладів, які використовувалися для їх визначення.
Стрімкий розвиток атомної енергетики в середині минулого століття поглибило розуміння концепції маси, яка виявилася пов’язаної з енергією через константу швидкості світла. Енергія і маса тіла – це прояв деякої єдиної сутності матерії.
