На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









3. Почему в безвоздушном пространстве все тела падают с одинаковым ускорением?

Все тела в безвоздушном пространстве падают с одинаковым ускорением. Но почему это происходит? Отчего ускорение свободно падающего тела не зависит от его массы? Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется как следует поразмыслить над значением слова «масса».
 
Остановимся прежде всего на ходе рассуждений Галилея, которыми он пытался доказать, что все тела должны падать с одинаковым ускорением. Не придем ли мы, рассуждая подобным образам, например, к выводу, что в электрическом поле все заряды движутся тоже с одинаковым ускорением?
 
Пусть имеются два электрических заряда — большой и маленький; предположим, что в данном электрическом поле большой заряд движется быстрее. Соединим эти заряды. Как должен теперь двигаться составной заряд: быстрее или медленнее большого заряда? Одно достоверно, что сила, действующая на составной заряд со стороны электрического поля, будет больше сил, которые испытывал каждый заряд в отдельности. Однако для определения ускорения тела этих сведений еще недостаточно; нужно знать также и общую массу составного заряда. За недостатком данных мы должны прервать свое рассуждение о движении составного заряда.
 
Но почему Галилею не встретились подобные трудности, когда он обсуждал падение тяжелого и легкого тел? Чем же отличается движение массы в поле тяготения от движения заряда в электрическом поле? Оказывается, что никакой принципиальной разницы здесь нет. Для определения движения заряда в электрическом поле мы должны знать величину заряда и массы: первая из них определяет силу, действующую на заряд со стороны электрического поля, вторая определяет ускорение при данной силе. Для определения движения тела в поле тяготения также надо учитывать две величины: гравитационный заряд и его массу. Гравитационный заряд определяет величину силы, с которой действует на тело гравитационное поле, масса же определяет ускорение тела в случае заданной силы. Галилею оказалось достаточно одной величины потому, что он считал гравитационный заряд равным массе.
 
Обычно физики не пользуются термином «гравитационный заряд», а говорят вместо этого «тяжелая масса». Чтобы избежать путаницы, массу, которая определяет ускорение тела при заданной силе, называют «инертной массой». Так, например, масса, о которой идет речь в специальной теории относительности, есть инертная масса.
 
Охарактеризуем тяжелую и инертную массы несколько точнее.
 
Что мы понимаем, например, под утверждением, что буханка хлеба весит 1 кг? Это хлеб, который Земля притягивает к себе с силой в 1 кг (разумеется, и хлеб притягивает Землю с такой же силой). Почему же Земля притягивает одну буханку силой в 1 кг, а другую, большую, скажем, силой в 2 кг? Потому, что во второй буханке больше хлеба, чем в первой. Или же, как говорят, у второй буханки масса больше (точнее, в два раза больше), чем у первой.
 
Каждое тело имеет определенный вес, вес же зависит от тяжелой массы. Тяжелая масса является характеристикой тела, определяющей его вес, или, иначе говоря, тяжелая масса определяет величину силы, с которой рассматриваемое тело притягивается другими телами. Таким образам, величины т и М, фигурирующие в формуле (10), являются тяжелыми массами. Надо иметь в виду, что тяжелая масса — это определенная величина, характеризующая количество материи, заключенное в теле. Вес же тела, напротив, зависит от внешних условий.
 
В повседневной жизни под весом мы понимаем силу, с которой тело притягивается Землей, измеряем вес тела но отношению к Земле. С тем же успехом мы могли бы говорить и о весе тела  относительно Луны,  Солнца или любого другого  тела.   Когда   человеку  удастся   посетить другие планеты, он получит возможность непосредственно убедиться в том, что вес тела зависит от той массы, относительно  которой его измеряют.  Представим, что космонавты, отправляясь на Марс, захватили с собой буханку хлеба, которая весит на Земле 1 кг. Взвесив его на поверхности Марса, они обнаружат, что вес буханки оказался   равным  380  г.   Тяжелая  масса  хлеба  за  время полета   не   изменилась,   однако   вес   хлеба   уменьшился почти втрое. Причина ясна: тяжелая масса Марса меньше тяжелой   массы   Земли,   поэтому   притяжение   хлеба   на Марсе меньше,  чем на  Земле.  Но  насыщать  этот  хлеб будет совершенно одинаково, независимо от того, где его есть — на Земле или на Марсе. Из этого примера видно, что тело надо характеризовать  не с помощью его веса, а посредством его тяжелой массы. Наша система единиц выбрана таким образом, что вес тела  (по отношению   к Земле) численно равен тяжелой массе, только благодаря этому нам нет нужды в  повседневной жизни различать тяжелую массу и вес тела.
 
  Рассмотрим следующий пример. Пусть на станцию прибывает короткий товарный состав. Включаются тормоза, и поезд сразу останавливается. Затем приходит тяжеловесный состав. Здесь уже так сразу не остановишь поезд — приходится тормозить подольше. Отчего на остановку поездов затрачивается разное время? Обычно отвечают, что второй поезд был тяжелее первого — в этом-то и кроется причина. Этот ответ неточен. Что за дело машинисту паровоза до веса состава? Ему важно лишь то, какое сопротивление оказывает поезд уменьшению скорости. Почему мы должны считать, что поезд, который Земля притягивает к себе сильнее, упорнее сопротивляется изменению скорости? Правда, повседневные наблюдения показывают, что так оно и есть, но ведь может оказаться, что это чистая случайность. Не видно никакой логической связи между весом поезда и тем сопротивлением, которое он оказывает изменению скорости.
 
Итак, мы не можем объяснить весом тела (а следовательно, и тяжелой массой) то обстоятельство, что под действием одинаковых сил одно тело послушно изменяет свою скорость, тогда как другое требует для этого значительного времени. Надо искать причину в другом. Свойство тела сопротивляться изменению скорости называют инерцией. Раньше мы уже отмечали, что по-латински «inertia» означает леность, вялость. Если тело «ленивое», т. е. медленнее изменяет свою скорость, то говорят, что у него большая инерция. Мы видели, что у поезда с меньшей массой инерция меньше, чем у поезда с большей массой. Здесь мы опять употребили слово «масса», но уже в ином смысле. Выше масса характеризовала притяжение тела другими телами, здесь же она характеризует инерцию тела. Потому-то, чтобы устранить путаницу в употреблении одного и того же слова «масса» в двух различных значениях, и говорят «тяжелая масса» и «инертная масса». В то время как тяжелая масса характеризует гравитационное воздействие на тело со стороны других тел, инертная масса характеризует инерцию тела. Если увеличится в два раза тяжелая масса тела, то вдвое возрастет сила притяжения его другими телами. Если увеличится в два раза инертная масса, то вдвое уменьшится ускорение, приобретаемое телом под действием данной силы. Если при инертной массе, вдвое большей, потребовать, чтобы осталось прежним ускорение тела, то к нему понадобится приложить вдвое большую силу.
 
Что произошло, если бы у всех тел инертная масса равнялась тяжелой массе? Пусть у нас имеются, например, кусок железа и камень, причем инертная масса куска железа в три раза больше инертной массы камня. Это значит, что для сообщения этим телам одинаковых ускорений на кусок железа нужно подействовать втрое большей силой, чем на камень. Предположим теперь, что инертная масса всегда равна тяжелой. Это значит, что и тяжелая масса куска железа будет в три раза больше тяжелой массы камня; кусок железа будет притягиваться Землей в три раза сильнее, чем камень. Но для сообщения равных ускорений как раз и требуется втрое большая сила. Поэтому кусок железа и камень будут падать на Землю с равными ускорениями.
 
Из предшествующего следует, что при равенстве инертной и тяжелой массы все тела будут падать на Землю с одинаковым ускорением. Опыт действительно показывает, что ускорение всех тел при свободном падении одинаково. Отсюда можно заключить, что у всех тел инертная масса равна тяжелой массе.
 
Инертная масса и тяжелая масса — это различные понятия, логически не связанные между собой. Каждое из них характеризует определенное свойство тела. И если опыт показывает, что инертная и тяжелая массы равны, то это значит, что на самом деле мы с помощью двух различных понятий охарактеризовали одно и то же свойство тела. У тела есть только одна масса. То, что мы ему раньше приписывали массы двух родов, было обусловлено всего лишь нашим недостаточным знанием природы. С полным правом в настоящее время можно сказать, что тяжелая масса тела эквивалентна инертной массе. Следовательно, соотношение тяжелой и инертной массы в какой-то мере аналогично соотношению массы (точнее говоря, инертной массы) и энергии.
 
Ньютон первым показал, что открытые Галилеем законы свободного падения имеют место благодаря равенству инертной и тяжелой массы. Так как это равенство установлено опытным путем, то здесь непременно приходится считаться с погрешностями, которые неизбежно появляются при всех измерениях. Согласно оценке Ньютона, для тела с тяжелой массой в 1 кг инертная масса может отличаться от килограмма не больше, чем на 1 г.
 
Немецкий астроном Бессель использовал для изучения соотношения инертной и тяжелой массы маятник. Можно показать, что в случае, если инертная масса тел не равна тяжелой массе, период малых колебаний маятника будет зависеть от его веса. Между тем точные измерения, проведенные с различными телами, в том числе и с живыми существами, показали, что такой зависимости нет. Тяжелая масса равняется инертной массе. Учитывая точность своего опыта, Бессель мог утверждать, что инертная масса тела в 1 кг может отличаться от тяжелой массы не больше, чем на 0,017 г. В 1894 г. венгерскому физику Р. Этвешу удалось сравнить инертную и тяжелую массы с очень большой точностью. Из измерений следовало, что инертная масса тела в 1 кг может отличаться от тяжелой массы не больше, чем на 0,005 мг. Современные измерения позволили снизить возможную погрешность еще примерно в сто раз. Такая точность измерений дает возможность утверждать, что инертная и тяжелая массы действительно равны.
 
Особенно интересные опыты были поставлены в 1918 г. голландским физиком Зееманом, который изучал соотношение тяжелой и инертной массы для радиоактивного изотопа урана. Ядра урана нестабильны и с течением времени превращаются в ядра свинца и гелия. При этом в процессе радиоактивного распада освобождается энергия. Приближенная оценка показывает, что при превращении 1 г чистого урана в свинец и гелий должна освобождаться 0,0001 г энергии (выше мы видели, что энергию можно измерять в граммах). Значит, можно сказать, что 1 г урана содержит 0,9999 г инертной массы и 0,0001 г энергии. Измерения Зеемана показали, что тяжелая масса такого кусочка урана равна 1 г. Это значит, что 0,0001 г энергии притягивается Землей с силой 0,0001 г. Такого результата и следовало ожидать. Выше мы уже отмечали, что не имеет смысла различать энергию и инертную массу, потому что обе они характеризуют одно и то же свойство тела. Поэтому достаточно сказать просто, что инертная масса кусочка урана равна 1 г. Такова же и его тяжелая масса. У радиоактивных тел инертная и тяжелая масса также равны между собой. Равенство инертной и тяжелой массы — это общее свойство всех тел природы.
 
Например, ускорители элементарных частиц, сообщая частицам энергию, тем самым увеличивают и их вес. Если, например, электроны, вылетающие из ускорителя,. обладают энергией, которая в 12 000 раз больше энергии покоящихся электронов, то они в 12 000 раз тяжелее последних. (По этой причине иногда мощные ускорители электронов называют «утяжелителями» электронов).



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.