Инерция: основной закон движения тела
Сегодняшний урок мы начнём с небольшого опыта, который мы уже с вами проводили. Итак, у нас есть три одинаковых шарика, которые одновременно скатываются с одинаковой высоты. Дорожки, по которым затем движутся шарики, отличаются: первая посыпана песком, вторая покрыта тканью, а третья — стеклом.
Мы видим, что движение по третьей дорожке продолжается дольше, поскольку трение здесь наименьшее. А причиной прекращения движения шарика — это трение между поверхностями шарика и стола и, конечно, сопротивление воздуха.
Движение тела без внешних сил
А что бы было, если бы мы смогли убрать эти причины?
Правильно, шарик двигался бы с постоянной скоростью сколько угодно долго. Отсюда можно сделать простой вывод, что движение тела без действия на него других тел, как и покой, — его естественное состояние.
Состояние Аристотеля
То, что тело остаётся в покое, если нет действия других тел, вполне понятно. Но как же тело может само по себе двигаться, если в повседневной жизни мы видим, что тело движется только тогда, когда на него действует другое тело.
Например, пусть у нас есть автомобиль и летящий над ним вертолёт, которые движутся с постоянной скоростью. Что произойдёт, если отключить их двигатели? Конечно: вертолёт упадёт на землю, а автомобиль, спустя какое-то время, остановится. Значит, чтобы машина и вертолёт продолжали двигаться с постоянной скорость необходимо, чтобы двигатели обеих машин были постоянно включены и создавали необходимую силу тяги.
Идейный взлет Галилео
Древнегреческий учёный Аристотель считал именно так. То есть он думал, что только покой — естественное состояние тела, а движение — насильственное. Тело стремится к своему естественному состоянию. Поэтому, если не поддерживать движение, оно прекращается. А поскольку в своё время Аристотель пользовался огромным авторитетом, то это неправильное понимание причин движения являлось основной догмой механики в течение почти двух тысяч лет.
Опровергнуть эти представления удалось лишь в первой половине XVII века известному итальянцу Галилео Галилею. Он применил метод, ставший в физике основным методом исследования: изучая явления природы, следует проверять каждую догадку, предположение, идею на опыте.
Заключение
Проведя опыт, схожий с нашим, Галилео Галилей смог вообразить идеализированный мир — мир без трения. В результате он пришёл к выводу о том, что движение тел по инерции является его естественным состоянием. Инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость неизменной, пока на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано. Выдвинутые им идеи помогли изменить представление о движении и стали основой для дальнейших исследований в области физики.
Законы инерции: что это такое и как они работают
Это явление не является само собой разумеющимся. Понадобился гений Галилея, а позднее и Ньютона, чтобы его осознать. Ньютону вслед за Галилеем удалось окончательно развеять одно из глубочайших заблуждений человечества о законах движения тел.
Конечно же в земных условиях на тело всегда действуют какие-то другие тела. Но астрономические наблюдения за космическими аппаратами, запущенными для исследования отдалённых планет и покинувшими Солнечную систему, подтверждают, что для движения по инерции никакие силы не нужны.
Закон инерции: основные принципы
Анализ многочисленных опытов и умозаключений позволил Галилею сформулировать закон инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или их действия компенсируются.
Примеры из повседневной жизни
С инерцией нам приходится встречаться постоянно. Например, при резком торможении автобуса пассажиры наклоняются вперёд, так как продолжают двигаться по инерции. При резком разгоне автобуса они отклоняются назад. Почему?
А может ли автомобиль остановиться мгновенно? Конечно нет. Как бы ни были сильны тормоза, инерция препятствует мгновенному торможению. Именно из-за инерции тормозной путь автомобиля тем больше, чем больше скорость его движения.
Полезные свойства инерции
Надеемся, что, помня об инерции, вы не будете перебегать улицу перед движущимся транспортом и научите не делать этого своих младших братьев и сестёр.
Инерция может приносить человеку не только неприятности, но и огромную пользу. Например, в водяных и паровых турбинах, а также в ветряных двигателях используется инерция движения воды, пара, ветра. Инерция играет полезную роль и в повседневной жизни: от выбивания пыли из ковра, до насадки на рукоятку молотка или топорика.
Инертность тела
А теперь давайте посмотрим вот на эти два кубика. Как видите, они имеют одинаковую форму и объём. Но, судя по всему, изготовлены они из разных металлов. А чем ещё они отличаются?
Чтобы ответить на этот вопрос, проведём небольшой опыт. Поместим наши кубики на одинаковые тележки и заставим их двигаться под действием одинаковых сил. Не трудно увидеть, что тележки с кубиками приобрели разную скорость. Это означает, что кубики, которые находятся на тележках, обладают разными свойствами.
Свойство тела противодействовать изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения называют инертностью. Тело, которое слабо сопротивляется действию и быстро изменяет свою скорость, обладает малой инертностью (или говорят, что оно менее инертно). И наоборот, тело, которое трудно сдвинуть с места, имеет большую инертность (более инертно). Инертность тела проявляется при любых попытках изменить его скорость.
Инерция тел и её измерение
Продолжим наши эксперименты. На столе вы видите две практически одинаковые тележки, между которыми находится упругая металлическая пластинка, связанная нитью. Если убрать нить (пережечь её или разрезать), то пластинка распрямится и оттолкнёт тележки. Но так как тележки у нас одинаковые, то после взаимодействия они приобретут одинаковые скорости и разъедутся на одинаковые расстояния.
Теперь поставим на тележки наши кубики и повторим эксперимент.
А теперь скажите, повлияли ли инертные свойства кубиков на результат их взаимодействия?
Таким образом, видим, что инертные свойства тел определяют результат их взаимодействия между собой. Поэтому невозможно предсказать результат взаимодействия тел, не учитывая их инертные свойства.
Измерение массы как индикатор инертности
Итак. Мы выяснили, что есть более и менее инертные тела. Но чтобы производить точные сравнения инертности разных тел, надо научиться её измерять.
Физическая величина, которая количественно определяет инертность тела, называется массой. То есть масса тела — это мера его инертности.
Интересно, что слово масса первоначально в античные времена обозначало кусок теста. Позднее смысл слова расширился, и оно стало обозначать цельный, необработанный кусок произвольного вещества. А уже как научный термин масса была введена в науку Исааком Ньютоном в 1687 году в его знаменитом труде Математические начала натуральной философии.
Массу принято обозначать малой латинской буквой m. А единицей измерения массы в Международной системе (СИ) является один килограмм (1 кг).
Единицы измерения массы
- 1 тонна (т) = 1000 кг
- 1 грамм (г) = 0,001 кг
- 1 миллиграмм (мг) = 0,001 г
С 1901 до мая 2019 года ответить на вопрос Что такое килограмм? было очень легко. Один килограмм — это единица массы, равная массе международного прототипа (или эталона) килограмма.
Эталон килограмма представлял собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм, изготовленного из сплава платины и иридия. А копии этого эталона хранились во многих странах.
В 2019 году было дано более точное, но более сложное определение килограмма, а эталон превратился в точную гирьку с потенциально измеримой погрешностью. Таким образом, измерение массы играет ключевую роль в науке и повседневной жизни.
История измерения массы
В древности люди использовали различные единицы измерения массы, такие как:
- Караты для измерения массы драгоценных камней
- Фунты, золотники, лоты и пуды для измерения массы других предметов
На Руси массу измеряли фунтами (1 фунт = 409,5 г), золотниками (1 золотник = 4,3 г), лотами (1 лот = 3 золотника), пудами (1 пуд = 40 фунтов). Такие системы измерения часто отражают исторические особенности каждой страны.
Измерение массы тела
В своей практической жизни люди обнаружили, что масса тел не зависит от температуры, от взаимодействия с другими телами и не изменяется со временем. Например, если металлической болванке придать штамповкой другую форму, то её масса останется прежней, хотя форма и изменилась. Можно, конечно, разрезать эту болванку на кусочки. Но общая масса всё равно останется той же самой.
Чтобы определить массу тела, надо сравнить её с единицей измерения путём взвешивания на весах. Существуют различные типы весов: рычажные, пружинные, электронные и так далее.
Рычажные весы
Наиболее простыми являются рычажные весы. Они состоят из коромысла, к которому с двух сторон подвешиваются одинаковые чашки. На одну чашку весов кладут тело, массу которого хотят определить, на другую — гирьки, массы которых заранее известны. Гирьки подбирают так, чтобы уравновесить коромысло весов. Тогда масса тела будет равна сумме масс гирек, с помощью которых были уравновешены весы.
Зависимость массы тела
А теперь давайте подумаем, от чего же зависит масса тела?
Для ответа на этот вопрос проведём несколько опытов. Вот у нас есть два цилиндра, изготовленные из одного и того же металла, но имеющие разные размеры (разный объём). Поместим эти цилиндры на чаши весов. Как видим, масса большого цилиндра больше массы маленького цилиндра. Какой отсюда следует вывод?.. Правильно: масса тела зависит от его объёма.
Повторим опыт. Но теперь мы будем использовать цилиндры одинакового объёма, но изготовленные из разных веществ. Не трудно заметить, что имея одинаковый объем, масса одного цилиндра больше массы другого цилиндра.
Значит, масса тела зависит от вещества, из которого оно состоит. Например, тележку с подушками легче сдвинуть с места, чем тележку с камнями, имеющими равный с подушками объём.
Плотность вещества
Так вот, физическая величина, равная массе вещества, содержащегося в единице объёма, называется плотностью вещества.
Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объём. А обозначается плотность греческой буквой ρ.
Единицей плотности в СИ является один килограмм на кубический метр (1 кг/м3).
Плотность показывает, чему равна масса вещества (в килограммах), взятого в объёме 1 м3. Например, если плотность мрамора равна 2700 кг/м3, то это значит, что 1 м3 мрамора имеет массу 2700 килограммов.
Иногда плотность удобно выражать в граммах на кубический сантиметр. В этом случае она показывает, чему равна масса вещества (в граммах), взятого в объёме 1 см3.
Например, плотность дистиллированной воды равна 1 г/см3 означает, что один кубический сантиметр воды имеет массу один грамм.
Зная плотность вещества, из которого изготовлено тело, можно рассчитать его массу или объём.