Пятнадцатая серия передачи посвящена новым физическим величинам — массе тела и его весу. Эти понятия часто путают и измеряют вес в килограммах. Но это является грубой ошибкой и профессор Даниил Эдисонович Кварк объяснит, почему это так. Можно ли изменить свой вес тела или даже сделать его совершенно невесомым? Физика отвечает утвердительно. Хотите узнать, как это сделать? Тогда смотрите видеоурок физики от Академии занимательных наук, посвящённый массе и весу тела.
Масса и вес тела
В чём заключается отличие между массой и весом тела? Вроде бы это одно и то же. Но почему тогда, стоя на весах, мы можем изменять их показания, выполняя те или иные действия (поднимая руки или сгибая туловище)? Видеоурок физики — это то, что нужно для выяснения этих вопросов. Да, разница есть. С точки зрения физики, неправильно интересоваться у продавца, сколько весит тот или иной продукт. А правильно — спросить, какова его масса! Вес это векторная величина, сила. Она всегда имеет направление. При неизменной массе тела, его вес можно изменить. Например, положив на весы банан и надавив на него рукой мы получим больший вес, в то время, как масса банана останется прежней. Вес тела — это сила, с которой это тело, притягиваясь к земле, давит на опору или растягивает подвес. Если масса тела измеряется в килограммах, то вес, как и любая сила — ньютонами. Теперь понятно, почему неверно говорить, что вес тела равен столько-то килограммам? Итак, вес тела всегда измеряется в ньютонах, в то время как масса тела может измерять в граммах, килограммах и т.д. В отличие от массы тела, вес тела не является постоянной величиной. Он может увеличиваться или уменьшаться, при этом масса тела останется прежней. Масса тела представляет собой скалярную величину. Почему если сильно раскачаться на качелях, начинает «захватывать дух»? Профессор Кварк считает, что это ощущение невесомости, похожее на то, которое бывает в космосе. Как же получается, что вес тела становится равным нулю, пусть даже на какое-то мгновение? А получается так потому, что в момент падения тело ни на что не давит и ничего не оттягивает, следовательно, не имеет веса. Вот ещё один пример, доказывающий, что вес тела может меняться при неизменной массе. В воде все тела весят меньше, чем на суше. Иначе мы не могли бы плавать, а шли прямиком ко дну. Слон с массой тела в 1 тонну весит на суше больше, чем в воде. Киты с массой более 30 тонн способны в воде парить как птицы.
Сила тяжести и вес два понятия, участвующие в гравитационном теории поля физики. Эти два понятия часто неправильно истолкованы и используются в неправильном контексте. Эта ситуация усугубляется тем, что на обыденном уровне понятия массы (свойство материи) и веса также воспринимаются как нечто тождественное. Именно поэтому правильное понимания тяжести и веса важно для науки. Зачастую эти две почти аналогичные концепции используются как взаимозаменяемые. В этой статье приведен обзор основных понятий, их проявления, частные случаи, сходства и, наконец, их различия.
Анализ основных понятий:
Сила, направленная на объект со стороны планеты Земля или со стороны другой планеты во Вселенной (любого астрономического тела в широком понимании) является силой тяжести. Сила является наблюдаемой демонстрацией проявления силы гравитации. Численно выражается по уравнению Fтяж=mg (g=9.8м/c2) .
Данная сила приложена к каждой микрочастице тела, на макроуровне это означает, что она приложена к центру тяжести данного тела, так как силы, действующие на всякую частицу отдельно, можно заменить равнодействующей этих сил. Эта сила является векторной, всегда устремленной к центру масс планеты. С другой стороны Fтяж можно выразить через силу гравитации между двумя телами, обычно различными по массе. Будет наблюдаться обратно пропорциональная связанность с интервалом между взаимодействующими объектами в квадрате (по формуле Ньютона).
В случае тела на плоскости им будет являться промежуток между телом и центром массы планеты, что есть ее радиус (R). В зависимости от высоты тела над поверхностью Fтяж и g изменяются, так как увеличивается промежуток между связанными объектами соответственно (R+h) , где h показывает высоту над поверхностью. Отсюда следует зависимость, что чем выше находится объект над уровнем Земли, тем меньше сила тяжести и тем меньше g.
Вес тела, характеристики, сопоставление с силой тяжести
Сила, с которой тело действует на опору или вертикальный подвес называется весом тела (W) . Это векторная, направленная величина. Атомы (или молекулы) тела отталкиваются от частиц основания в результате чего происходит частичная деформация, как опоры, так и объекта, возникают силы упругости и изменяется в некоторых случаях незначительно форма тела и опоры на макроуровне. Возникает сила реакции опоры, параллельно на поверхности тела также возникает сила упругости в ответ на реакцию опоры– это и есть вес. Вес тела (W) векторно противоположно направлен силе реакции опоры.
Частные случаи, для всех их соблюдается равенство W= m(g-a) :
Подставка неподвижна в случае объекта на столе, либо равномерно движется с неизменной скоростью (a=0) В этом случае W=Fтяж.
Если опора ускоряется вниз, тогда и тело ускоряется вниз, тогда W меньше Fтяж и вес вовсе равен нулю, если ускорение равно ускорению свободного падения (при g=a, W=0) При этом присутствует проявление невесомости, опора движется с ускорением g и следовательно будут отсутствовать различные напряжения и деформации от приложенной извне контактно-механической силы. К невесомости, также можно прийти путем размещения тела в нейтральной точке между двумя одинаковыми гравитирующими массами или удалением объекта от источника гравитации.
Однородное гравитационное поле по своей сути не может вызывать «напряжений» в теле, так же как и тело двигаясь под действием Fтяж не будет чувствовать гравитационный разгон и остается невесомым, «стресс-свободным» телом. Вблизи же неоднородного поля (массивных астрономических объектов) свободно падающее тело будет ощущать на себе различные приливные силы и явление невесомости будет отсутствовать так как различные части тела будут неравномерно ускоряться и изменять свою форму.
Подставка с телом движутся вверх . Равнозначная всех сил будет направлена вверх следовательно Fреакции опоры будет больше Fтяж и W больше Fтяж и это состояние называется перегрузкой. Кратность перегрузки (К) – во сколько раз величина веса больше Fтяж. Эту величину учитывают, к примеру, при полетах в космос и военной авиации, так как в основном в этих сферах можно достичь значительных скоростей.
Перегрузка увеличивает нагрузку на органы человека, в основном больше всего нагружаются опорно двигательный аппарат и сердце, вследствие увеличения веса крови и внутренних органов. Перегрузка так же является направленной величиной и ее концентрацию в определенном направлении для организма нужно учитывать (кровь приливает к ногам или к голове и т.п.) Допустимые перегрузки до значения К не более десяти.
Ключевые отличия
- Эти силы приложены к неодинаковым «областям». Fтяж приложена к центру тяжести объекта, а вес приложен к опоре или подвесу.
- Отличие состоит и в физической сущности: сила тяжести – это гравитационная сила, вес же имеет электромагнитную природу. По сути тело не подверженное деформации со стороны внешних сил находится в невесомости.
- Fтяж и W могут отличаться как по количественному значению, так и по направленности, если ускорение тела не равно нулю, то Wтела либо больше, либо меньше силы тяжести, как в вышеуказанных случаях (если ускорение направлено под углом, то W направлен в сторону ускорения).
- Вес тела и сила тяжести на полюсах планеты и экваторе. На полюсе объект, лежащий на поверхности движется с ускорением а=0, так как находится на оси вращения, следовательно, Fтяж и W будут совпадать. На экваторе учитывая вращение с запада на восток, у тела появляется центростремительное ускорение и фокус всех сил по закону Ньютона будет устремлен к центру планеты, в сторону ускорения. Противопоставленная силе тяжести сила реакции опоры будет направлена так же к центру земли, но она будет меньше Fтяж и вес тела соответственно будет меньше Fтяж.
Заключение
В 20-м веке, понятия абсолютного пространства и времени были оспорены. Релятивистский подход поставил не только всех наблюдателей, но и перемещение или ускорение, на те же относительные основы. Это привело к неясности касательно того, что именно подразумевается под действием силы тяжести и веса. Шкалу в ускоряющемся лифте, например, нельзя отличить от масштаба в гравитационном поле.
Гравитационная сила и вес, таким образом, стали по существу зависимы от акта наблюдения и наблюдателя. Это вызвало отказ от концепции, как лишней в фундаментальных дисциплинах, таких как физика и химия. Тем не менее, представление остается важным в преподавании физики. Двусмысленность введенные относительности привели, начиная с 1960-х годов, к дискуссиям о том, как определить вес, выбирая между номинальным определением: сила, обусловленная действием силы тяжести или оперативного определения, определяемого напрямую актом взвешивания.
В разговорной речи мы привыкли свободно оперировать такими понятиями, как вес и масса. Как правило, первый термин используется нами в отношении людей или продуктов питания, а второй мы употребляем, описывая тяжелые автомобили или крупногабаритную технику. Но в целом принято считать, что смысл эти слова имеют один и тот же.
Однако с точки зрения науки физики в таком подходе кроется ошибка. Масса и вес не равны друг другу, измеряются в разных единицах и означают совершенно разные вещи.
Две характеристики предмета - неизменная и легко изменяемая
На языке науки масса - это постоянное свойство , которое не меняется и остается прежним в любых условиях. Если объяснять простыми словами, это количественное понятие, говорящее о том, сколько вещества содержится во взятом объекте - камне, бруске дерева, капле воды и так далее. Понятно, что на Земле, в открытом пространстве космоса или на любой из планет этот показатель будет оставаться одним и тем же.
Почти все, что есть во Вселенной, обладает хоть какой-то, пусть даже очень малой, массой. Не относится это только к фотонам и еще гравитонам - частицам, которые до сих пор не зафиксированы официально. Массы, уходящей «в минус», фактически не бывает - хотя здесь можно отметить, что ее наличие допускают умозрительные математические выкладки.
При этом вес – величина нестабильная , он изменяем и напрямую зависит от условий, окружающих взятый предмет. Согласно формулировке, это сила давления тела на существующую опору. Поэтому на показатель влияет в первую очередь притяжение. Взятое для изучения тело будет весить неодинаково на разных планетах, поскольку гравитация небесных тел притягивает предметы с разной силой. А в открытом космосе, в удалении от всех планет, термин и вовсе теряет свой смысл.
Для записи двух понятий применяются разные системы. Так, основной единицей массы является один килограмм. А вот вес исчисляется в ньютонах по специальной формуле - для того, чтобы узнать его, требуется найти произведение уже известной массы и значения гравитации.
Различие между двумя понятиями можно объяснить и другими словами - в противоположность массе, вес всегда куда-то направлен, он имеет вектор, в котором действует взятый объект.
Конечно, в разговорной речи люди редко обращают внимание на подобные нюансы. Если допустить ошибку и использовать один термин вместо другого в обычной беседе, никакого недопонимания не возникнет. Но важно понимать, что означают эти физические понятия на самом деле. Во многих случаях, произнося слово «вес», мы рассуждаем о массе - так же, как и наоборот.
Масса и вес. Вес и масса. Наверное, чаще всего эти два совершенно разные понятия сравниваются, а то вообще принимаются за одно и тоже. Ведь действительно мы говорим: «Сколько ты весишь?», когда, по сути, имеем ввиду только количественные свойства нашего тела, не особо задумываясь о каких-то других дополнительных взаимодействиях, которые могут подразумевать такие неоднозначные словообразования. Поэтому, чтобы не путаться в определениях, лучше всего разобраться, почему же масса весом быть не может.
Очень неожиданные килограммы
Те цифры, которые появляются на весах после того, как, например, туда положили кулек с клубникой или попытались уместить кита, не только помогают определить, сколько денег нужно заплатить за вкусные ягоды или же узнать, правда ли кит такой большой, как о нем говорят, но и выявить многие другие особенности.
Если утверждать научным языком, то масса – это физическая величина , которая является меркой гравитации тела, энергии и инертности, что естественно влечет за собой определенные характеристики с точки зрения классической механики:
- Масса (m) – инвариантна: она не зависит от выбора системы отсчета (СО), то есть пассажир поезда или самолета резко не похудеет или поправиться во время движения его транспортного средства. Подобная относительность СО присуща, например, определению скорости, но не массы, которая так резко не меняется.
- Масса не зависит от скорости движения тела. В то же время, инертность – свойство тратить определенное время для смены скорости, определяет именно масса. Слону, к примеру, очень сложно моментально ускориться. Он будет делать стабильные и удобные для себя шаги, а мышке только покажи кота – и только тут ее и видели. Она менее инертна, чем слон, быстрее меняет скорость.
- Также, когда два тела взаимодействуют, их массы обратно пропорциональны соотношению ускорений, что тоже является уделом инертности. Такое открытие помогло определить массы планет, спутников и других космических тел, так как сделать это иным способом – практически невозможно.
- Масса – аддитивна: вся масса тела равна массам всех его частей.
- Существует и исполняется закон сохранения массы – это значит, что какие бы процессы не происходили в любой слаженной системе, общая масса всегда остается одинаковой.
В то же самое время, любое тело может гравитационно взаимодействовать с другими телами. Такая особенность называется гравитационной массой, которая получила свою главную формулировку при изучении силы притяжения. Гравитационное взаимодействие двух тел прямо пропорционально произведению их масс.
Эйнштейн доказал, что любое тело, у которого есть масса, имеет и свой запас энергии (E). Если уменьшается или увеличивается масса, то же самое происходит и с энергией — E = mс²
, где с — скорость света.
И все-таки вес
Вес (P) – это измерение ни что иного, как силы, с которой тело воздействует на опору, как результат притяжения Земли. Причем, если эта самая опора пребывает в спокойствии или движется равномерно прямолинейно, тогда вес равен силе притяжения – P = mg, где m – масса тела, g ≈ 9,81 – ускорение свободного падения.
Проще говоря, вес измеряет, как сильно мы давим на поверхность того, где стоим или сидим.
Если тело движется с ускорением, тогда и вес будет определяться с его учетом: P = m(g+a) — во время движения вертикально вверх, P = m(g-a) — вертикально вниз.
Перевес (увеличение веса) – довольно интересное явление, так как может влиять на состояние человека: наблюдается кратковременный упадок зрения, утрудненное дыхание. Перевес случается с космонавтами во время взлета и посадки космического корабля, с летчиками, которые делают маневры (мертвые петли).
Невесомость – это состояние тела, при котором вес равен нулю, из-за того, что сила притяжения придает телу и его опоре одинаковое ускорение. Так для космонавта «исчезает» вес во время пребывания на орбите. Чтобы ощутить подобное, можно просто подпрыгнуть. Тогда не будет под ногами опоры.
В чем же разница?
Итак, масса весом быть не может потому что:
- Масса – это количественная величина, а вес – сила.
- Масса измеряется в килограммах (СИ), а вес – в ньютонах.
- У массы нет направления, а в веса, как в любой приложенной силе, оно есть.
- Масса — неизменна, тогда как вес зависит от движения.
