Fizikālo terminu izpratnei un lielumu definīciju pārzināšanai ir liela nozīme dažādu likumu izpētē un fizikas uzdevumu risināšanā. Viens no pamatjēdzieniem ir ķermeņa masas jēdziens. Sīkāk aplūkosim jautājumu: kas ir ķermeņa svars?
Vēsture
Ņemot vērā mūsdienu fizikas skatījumu, var droši teikt, ka ķermeņa masa ir īpašība, kas izpaužas kustības laikā, mijiedarbības laikā starp reāliem objektiem, kā arī atomu un kodolpārveidojumu laikā. Tomēr šī masas izpratne izveidojās pavisam nesen, burtiski 20. gadsimta pirmajās desmitgadēs, pateicoties Einšteina radītajai relativitātes teorijai.
Atgriežoties tālāk vēsturē, mēs atceramies, ka daži senās Grieķijas filozofi uzskatīja, ka kustības neeksistē, tāpēc nebija jēdziena par ķermeņa masu. Neskatoties uz to, pastāvēja ķermeņa svara jēdziens. Lai to izdarītu, pietiek atcerēties Arhimēda likumu. Svars ir saistīts ar ķermeņa svaru. Tomēr tās nav vienādas vērtības.
BMūsdienu laikmetā, pateicoties Dekarta, Galileja un jo īpaši Ņūtona darbiem, veidojās divu dažādu masu jēdzieni:
- inerciāla;
- gravitācijas.
Kā vēlāk izrādījās, abi ķermeņa masas veidi ir viena un tā pati vērtība, kas pēc savas būtības ir raksturīga visiem mums apkārtējiem objektiem.
Inerciāla
Runājot par inerciālo masu, daudzi fiziķi sāk dot formulu Ņūtona otrajam likumam, kurā spēks, ķermeņa masa un paātrinājums ir savienoti vienā vienādībā. Tomēr ir daudz fundamentālāks izteiciens, pēc kura pats Ņūtons formulēja savu likumu. Tas ir par kustību apjomu.
Fizikā impulsu saprot kā vērtību, kas vienāda ar ķermeņa masas m un tā kustības ātruma telpā v reizinājumu, tas ir:
p=mv
Jebkuram ķermenim vērtības p un v ir raksturlieluma vektora mainīgie. Vērtība m ir kāda koeficienta konstante aplūkotajam ķermenim, kas savieno p un v. Jo lielāks šis koeficients, jo lielāka būs p vērtība nemainīgā ātrumā un jo grūtāk ir apturēt kustību. Tas nozīmē, ka ķermeņa masa ir tā inerciālo īpašību īpašība.
Izmantojot p rakstīto izteiksmi, Ņūtons ieguva savu slaveno likumu, kas matemātiski apraksta impulsa izmaiņas. To parasti izsaka šādā formā:
F=ma
Šeit F ir spēks, kas iedarbojas uz ķermeni ar masu m un piešķir tam paātrinājumu a. Kāiepriekšējā izteiksmē masa m ir proporcionalitātes koeficients starp diviem vektora raksturlielumiem. Jo lielāka ir ķermeņa masa, jo grūtāk ir mainīt tā ātrumu (mazāku par a) ar nemainīga spēka F palīdzību.
Gravitācija
Vēstures gaitā cilvēce ir sekojusi debesīm, zvaigznēm un planētām. 17. gadsimtā veikto daudzo novērojumu rezultātā Īzaks Ņūtons formulēja savu universālās gravitācijas likumu. Saskaņā ar šo likumu divi masīvi objekti tiek piesaistīti viens otram proporcionāli divām konstantēm M1 un M2 un apgriezti proporcionāli kvadrātam attālums R starp tiem, tas ir:
F=GM1 M2 / R2
Šeit G ir gravitācijas konstante. Konstantes M1 un M2 sauc par mijiedarbojošo objektu gravitācijas masām.
Tādējādi ķermeņa gravitācijas masa ir pievilkšanās spēka mērs starp reāliem objektiem, kam nav nekāda sakara ar inerciālo masu.
Ķermeņa svars un masa
Ja iepriekš minēto izteiksmi piemēro gravitācijas spēkam uz mūsu planētas, tad var uzrakstīt šādu formulu:
F=mg, kur g=GM / R2
Šeit M un R ir attiecīgi mūsu planētas masa un tās rādiuss. G vērtība ir katram skolēnam pazīstamais brīvā kritiena paātrinājums. Burts m apzīmē ķermeņa gravitācijas masu. Šī formula ļauj aprēķināt ķermeņa pievilkšanas spēku ar Zemi ar masu m.
Saskaņā ar Ņūtona trešo likumu spēkam F jābūtir vienāds ar balsta N reakciju, uz kura balstās ķermenis. Šī vienlīdzība ļauj mums ieviest jaunu fizisko lielumu - svaru. Svars ir spēks, ar kādu ķermenis izstiepj balstiekārtu vai nospiež noteiktu balstu.
Daudzi cilvēki, kas nepārzina fiziku, neatšķir svara un masas jēdzienus. Tajā pašā laikā tās ir pilnīgi atšķirīgas vērtības. Tos mēra dažādās vienībās (masa kilogramos, svars ņūtonos). Turklāt svars nav ķermeņa īpašība, bet masa ir. Tomēr jūs varat aprēķināt ķermeņa masu m, zinot tā svaru P. To dara, izmantojot šādu formulu:
m=P / g
Masa ir viena īpašība
Iepriekš tika atzīmēts, ka ķermeņa masa var būt gravitācijas un inerciāla. Izstrādājot savu relativitātes teoriju, Alberts Einšteins balstījās uz pieņēmumu, ka iezīmētie masas veidi pārstāv vienu un to pašu matērijas īpašību.
Līdz šim ir veikti neskaitāmi abu veidu ķermeņa masas mērījumi dažādās situācijās. Visi šie mērījumi ļāva secināt, ka gravitācijas un inerciālās masas sakrīt viena ar otru ar to noteikšanai izmantoto instrumentu precizitāti.
Atomenerģijas straujā attīstība pagājušā gadsimta vidū padziļināja izpratni par masas jēdzienu, kas izrādījās saistīts ar enerģiju caur gaismas ātruma konstanti. Ķermeņa enerģija un masa ir kādas atsevišķas matērijas būtības izpausme.
