2. Масса
Опыт показывает, что при одинаковом воздействии различные тела по-разному изменяют скорость и получают различные ускорения. Это свойство тел влиять на величину собственного ускорения называется инертностью тел. Следовательно, величина ускорения, приобретаемого телом, зависит от некоторого собственного свойства тела. Это свойство тела характеризуют физической величиной, называемой массой.
Таким образом, масса – мера инертности тела. Под инертностью понимают неподатливость тела действию сил, т.е. свойство тела противиться изменению скорости под воздействием силы. В дальнейшем увидим также, что масса характеризует и гравитационные свойства тел и их энергосодержание.
Масса – скалярная величина. Следовательно, массы тел складываются алгебраически.
Масса составного тела равна сумме масс составляющих тел. Это свойство называется аддитивностью массы.
Массы
и
двух тел обратно пропорциональны
ускорениям
и
,
которые эти тела приобретают под
действием одной и той же силы, т.е.
.
Поэтому масса тел определяется путем сравнения с массой некоторого произвольно выбранного эталонного тела. По международному соглашению таким эталоном является платино-иридиевый цилиндр, хранящийся в Париже и называемый килограммом массы (кг). Эта масса принята за единицу массы – 1 кг. Тысячная доля кг называется граммом массы (г). С высокой степенью точности масса 1 см3 дистиллированной воды при 4 0С равна 1 г.
При малых скоростях, т.е. таких, с которыми имеют дело в классической механике, масса – постоянная величина. Однако для тел, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, масса зависит от скорости:
,
где
масса
тела при
(масса покоя),
– скорость тела,
– скорость света, равная 3·
м/с.
Эта формула была получена А.Эйнштейном в 1905 г. Она показывает, что масса возрастает с увеличением скорости. В современных ускорителях электроны разгоняются до таких скоростей, при которых их масса возрастает в тысячи раз. Последняя формула также показывает, что тело не может иметь скорость, превышающую скорость света (в пустоте). По мере увеличения скорости тела растет и его масса, а ускорение уменьшается.
3. Сила
Согласно первому закону Ньютона, если на тело действуют другие тела, то состояние движения тела изменяется, т.е. изменяется его скорость и появляется ускорение. Количественной мерой воздействия на данное тело со стороны другого тела является сила.
Из определения следует, что понятие сила относится к двум телам. Если имеется сила, всегда можно указать тело, на которое она действует, и тело, со стороны которого она действует.
Общие свойства сил устанавливаются при рассмотрении особенностей влияния воздействия на ускорение. Они заключаются в следующем.
Так как ускорение является вектором, то и сила, вызывающая ускорение тела, является вектором, т.е. характеризуется и величиной, и направлением. Если силу обозначить через
,
то:
вектор силы можно представить в виде
,
где
– составляющие вектора силы по
координатным осям;
величина силы равна
(3.1)
Ускорение тела, подвергающегося воздействию, зависит:
от свойств этого тела (например, деревянный шарик катится мимо магнита равномерно по прямой, а стальной шарик – по кривой траектории);
от свойств тела, оказывающего воздействие (например, стальной шар катится по кривой траектории вблизи магнита, а вблизи деревянного магнита – прямолинейно);
от расстояния между телами, подвергающимися и оказывающими воздействие (чем ближе стальной шар подходит к магниту, тем больше искривляется траектория шарика);
от относительной скорости взаимодействующих тел.
Сила, являясь характеристикой взаимодействия тел, также может зависеть от указанных особенностей.
Сила проявляется и в деформации тел. Например, груз, висящий на проволоке, растягивает её. По величине деформации можно определить величину силы. На этом основано измерение силы пружинным динамометром.