Fysikaalisten termien ymmärtäminen ja suureiden määritelmien tunteminen on tärkeässä roolissa eri lakien tutkimisessa ja fysiikan ongelmien ratkaisemisessa. Yksi peruskäsitteistä on käsite kehon massa. Katsotaanpa tarkemmin kysymystä: mikä on ruumiinpaino?
Historia
Nykyaikainen fysiikan näkemys huomioon ottaen on turvallista sanoa, että kehon massa on ominaisuus, joka ilmenee liikkeen aikana, todellisten esineiden välisen vuorovaikutuksen aikana sekä atomi- ja ydinmuunnosten aikana. Tämä käsitys massasta muotoutui kuitenkin melko äskettäin, kirjaimellisesti 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä, kiitos Einsteinin luoman suhteellisuusteorian.
Palaamme syvemmälle historiaan, muistamme, että jotkut antiikin Kreikan filosofit uskoivat, että liikettä ei ole olemassa, joten ruumiinmassaa ei ollut käsitettä. Siitä huolimatta oli olemassa käsite ruumiinpainosta. Tätä varten riittää, että muistat Archimedesin lain. Paino liittyy kehon painoon. Ne eivät kuitenkaan ole samaa arvoa.
BNykyaikana Descartesin, Galileon ja erityisesti Newtonin teosten ansiosta muodostui kahden erilaisen massan käsite:
- inertial;
- gravitaatio.
Kuten myöhemmin kävi ilmi, molemmat kehon massatyypit ovat samaa arvoa, mikä on luonteeltaan tyypillistä kaikille ympärillämme oleville esineille.
Inertia
Inertiamassasta puhuttaessa monet fyysikot alkavat antaa kaavan Newtonin toiselle säännölle, jossa voima, kehon massa ja kiihtyvyys liittyvät yhdeksi tasa-arvoksi. On kuitenkin olemassa perustavanlaatuisempi ilmaus, josta Newton itse muotoili lakinsa. Kyse on liikkeen määrästä.
Fysiikassa liikemäärä ymmärretään arvona, joka on yhtä suuri kuin kehon massan m tulo ja sen liikenopeus avaruudessa v, eli:
p=mv
Jokaiselle kappaleelle arvot p ja v ovat ominaisuuden vektorimuuttujia. Arvo m on jokin kerroinvakio tarkasteltavalle kappaleelle, joka yhdistää p:n ja v:n. Mitä suurempi tämä kerroin, sitä suurempi on p:n arvo vakionopeudella ja sitä vaikeampaa on pysäyttää liike. Eli kappaleen massa on sen inertiaominaisuuksien ominaisuus.
Käyttäen p:n kirjallista lauseketta Newton sai kuuluisan lakinsa, joka kuvaa matemaattisesti liikemäärän muutosta. Se ilmaistaan yleensä seuraavassa muodossa:
F=ma
Tässä F on voima, joka vaikuttaa kappaleeseen, jonka massa on m ja antaa sille kiihtyvyyden a. Kuten sisälläedellisessä lausekkeessa massa m on suhteellisuustekijä kahden vektorin ominaisuuden välillä. Mitä suurempi kappaleen massa on, sitä vaikeampaa on muuttaa sen nopeutta (pienempi kuin a) jatkuvan vaikuttavan voiman F avulla.
Painovoima
Läpi historian ihmiskunta on seurannut taivasta, tähtiä ja planeettoja. Lukuisten 1600-luvulla tehtyjen havaintojen tuloksena Isaac Newton muotoili universaalin painovoimalakinsa. Tämän lain mukaan kaksi massiivista objektia vetää puoleensa suhteessa kahteen vakioon M1 ja M2 ja kääntäen verrannollinen niiden välinen etäisyys R, eli:
F=GM1 M2 / R2
Tässä G on gravitaatiovakio. Vakioita M1 ja M2 kutsutaan vuorovaikutuksessa olevien objektien gravitaatiomassoiksi.
Elimen painovoimamassa on siis todellisten esineiden välisen vetovoiman mitta, jolla ei ole mitään tekemistä inertiamassan kanssa.
Kehon paino ja massa
Jos yllä olevaa lauseketta sovelletaan planeettamme painovoimaan, voidaan kirjoittaa seuraava kaava:
F=mg, missä g=GM / R2
Tässä M ja R ovat planeettamme massa ja vastaavasti sen säde. G:n arvo on jokaiselle koululaiselle tuttu vapaan pudotuksen kiihtyvyys. Kirjain m tarkoittaa kehon painovoimamassaa. Tämän kaavan avulla voit laskea kappaleen, jonka massa on m, Maan vetovoiman.
Newtonin kolmannen lain mukaan voiman F on oltavaon yhtä suuri kuin tuen N reaktio, jolla keho lepää. Tämä tasa-arvo antaa meille mahdollisuuden ottaa käyttöön uusi fyysinen määrä - paino. Paino on voima, jolla keho venyttää jousitusta tai painaa tiettyä tukea.
Monet ihmiset, jotka eivät tunne fysiikkaa, eivät tee eroa painon ja massan käsitteiden välillä. Samalla ne ovat täysin erilaisia arvoja. Ne mitataan eri yksiköissä (massa kilogrammoina, paino newtoneina). Lisäksi paino ei ole kehon ominaisuus, mutta massa on. Voit kuitenkin laskea kappaleen m massan, kun tiedät sen painon P. Tämä tehdään seuraavalla kaavalla:
m=P / g
Massa on yksittäinen ominaisuus
Edellä todettiin, että kappaleen massa voi olla gravitaatio- ja inertiaalinen. Kehittäessään suhteellisuusteoriaansa Albert Einstein lähti olettamuksesta, että merkityt massatyypit edustavat samaa aineen ominaisuutta.
Tähän asti molemmista painotyypeistä on tehty lukuisia mittauksia eri tilanteissa. Kaikki nämä mittaukset johtivat siihen johtopäätökseen, että gravitaatio- ja inertiamassat ovat yhtäpitäviä niiden määrittämiseen käytettyjen instrumenttien tarkkuuden kanssa.
Ydinenergian nopea kehitys viime vuosisadan puolivälissä syvensi ymmärrystä massan käsitteestä, joka paljastui liittyvän energiaan valon nopeusvakion kautta. Kehon energia ja massa on ilmentymä jostakin yksittäisestä aineen olemuksesta.
