С точки зрения классической механики масса тела не зависит от его движения. Если масса покоящегося тела равна m 0 , то и для движущегося тела эта масса останется точно такой же. Теория относительности показывает, что в действительности это не так. Масса тела т , движущегося со скоростью v, выражается через массу покоя следующим образом:
m = m 0 / √(1 - v 2 /c 2) (5)
Отметим сразу же, что скорость, фигурирующая в формуле (5), может быть измерена в любой инерциальной системе. В разных инерциальных системах тело имеет разную скорость, в разных инерциальных системах у него будет также и разная масса.
Масса — такая же относительная величина, как скорость, время, расстояние. Нельзя говорить о величине массы, пока не будет фиксирована система отсчета, в которой мы изучаем тело.
Из сказанного ясно, что, описывая тело, нельзя просто сказать, что его масса такая-то. Например, предложение «масса шарика 10 г» с точки зрения теории относительности совершенно неопределенно. Численное значение массы шарика ничего еще не говорит нам до тех пор, пока не будет указана инерциальная система, по отношению к которой измерена эта масса. Обычно масса тела задается в инерциальной системе, связанной с самим телом, т. е. задается масса покоя.
В табл. 6 приведена зависимость массы тела от его скорости. При этом предполагается, что масса покоящегося тела составляет 1 а. Скорости меньше 6000 км/сек
в таблице не приводятся, так как при таких скоростях отличие массы от массы покоя ничтожно мало. При больших же скоростях эта разница становится уже заметной. Чем больше скорость тела, тем больше его масса. Так, например, при движении со скоростью 299 700 км/сек
масса тела увеличивается уже почти в 41 раз. При больших скоростях даже ничтожное увеличение скорости значительно увеличивает массу тела. Это особенно заметно на рис. 41, где графически изображена зависимость массы от скорости.
Рис. 41. Зависимость массы от скорости (масса покоя тела равна 1 г)
В классической механике изучаются только медленные движения, для которых масса тела совершенно незначительно отличается от массы покоя. При изучении медленных движений массу тела можем считать равной массе покоя. Ошибка, которую мы при этом совершаем, практически незаметна.
Если скорость движения тела приближается к скорости света, то масса при этом растет неограниченно или, как говорят, масса тела становится бесконечной. Только в одном единственном случае тело может приобрести скорость, равную скорости света.
Из формулы (5) видно, что в том случае, если тело будет двигаться со скоростью света, т. е. если v
= с
и √(1 - v 2 /c 2), то должна быть равна нулю и величина m 0 .
Если бы этого не было, то формула (5) потеряла бы всякий смысл, так как деление конечного числа на нуль — недопустимая операция. Конечное число, деленное на нуль, равняется бесконечности — результат, который не имеет определенного физического смысла. Однако мы можем осмыслить выражение «нуль, деленный на нуль». Отсюда и следует, что в точности со скоростью света могут двигаться только объекты, у которых масса покоя равняется нулю. Телами в обычном понимании такие объекты называть нельзя.
Равенство массы покоя нулю означает, что тело с такой массой вообще не может покоиться, а должно всегда двигаться со скоростью с. Объект с нулевой массой покоя, то свет, точнее говоря, фотоны (кванты света). Фотоны никогда и ни в одной инерциальной системе не могут покоиться, они всегда движутся со скоростью с. Тела с массой покоя, отличной от нуля, могут находиться в покое или двигаться с различными скоростями, но с меньшими скоростями света. Скорости света они никогда не могут достигнуть.
Масса - физическая величина, неотделимо присущая материи и определяющая её инерционные, энергетические и гравитационные свойства. В классической физике строго подчинена закону сохранения, на основе которого строится классическая механика. В квантовой механике - особая форма энергии и, в таком виде, также предмет закона сохранения (массы-энергии).
Масса обозначается латинской буквой m
Единицей измерения массы в системе СИ является килограмм . В гауссовой системе масса измеряется в граммах . В атомной физике принято приравнивать массу к атомной единице массы , в физике твердого тела - к массе электрона , в физике высоких энергий массу измеряют в электронвольтах . Кроме этих единиц существует огромное количество исторических единиц массы, сохранившихся в отдельных сферах использования: фунт, унция, карат, тонна и тому подобное. В астрономии единицей для сравнения масс небесных тел служит масса Солнца .
Массой тела называется физическая величина, характеризующая его инерционные и гравитационные свойства.
В классической физике масса является мерой количества вещества., содержащегося в теле. Здесь справедлив закон сохранения массы: масса изолированной системы тел не меняется со временем и равна сумме составляющих ее масс тел.
В механике Ньютона массой тела называют скалярную физическую величину, которая является мерой инерционных его свойств и источником гравитационного взаимодействия. В классической физике масса всегда является положительной величиной.
Масса – аддитивная величина, что означает: масса каждой совокупности материальных точек (\(m \) ) равна сумме масс всех отдельных частей системы (\(m_i \) )
\[ m=\sum\limits_{i=1}^{n}{m_i} \]
В классической механике считают:
- масса тела не является зависимой от движения тела, от воздействия других тел, расположения тела;
- выполняется закон сохранения массы: масса замкнутой механической системы тел неизменна во времени.
Как мера инертности тела, масса входит во второй закон Ньютона , записанный в упрощенном (для случая постоянной массы) виде:
\[ \LARGE m = \dfrac{F}{a} \]
где \(a \) - ускорение, а \(F \) - сила, что действует на тело
Виды массы
Строго говоря, существует две различные величины, которые имеют общее название «масса»:
- Инертная масса характеризует способность тела сопротивляться изменению состояния его движения под действием силы. При условии, что сила одинакова, объект с меньшей массой легче изменяет состояние движения, чем объект с большей массой. Инертная масса фигурирует в упрощенной форме второго закона Ньютона, а также в формуле для определения импульса тела в классической механике.
- Гравитационная масса характеризует интенсивность взаимодействия тела с гравитационным полем. Она фигурирует в ньютоновском законе всемирного тяготения.
Хотя инертная масса и гравитационная масса является концептуально разными понятиями, все известные на сегодняшний день эксперименты свидетельствуют, что эти две массы пропорциональны между собой. Это позволяет построить систему единиц так, чтобы единица измерения всех трех масс была одна и та же, и все они были равны между собой. Практически все системы единиц построены по этому принципу.
В общей теории относительности инертная и гравитационная массы считаются полностью эквивалентными.
Инертность - свойство различных материальных объектов приобретать разные ускорения при одинаковых внешних воздействиях со стороны других тел. Присуща разным телам в разной степени. Свойство инертности показывает, что для изменения скорости тела необходимо время (расстояние). Чем труднее изменить скорость тела, тем оно инертнее.
Масса – скалярная величина, являющаяся мерой инертности тела при поступательном движении. (При вращательном движении - момент инерции). Чем инертнее тело, тем больше его масса. Определенная таким образом масса называется инертной (в отличие от гравитационной массы, определяющейся из закона Всемирного тяготения).
Масса элементарных частиц
Масса, вернее масса покоя, является важной характеристикой элементарных частиц. Вопрос о том, какими причинами обусловлены те значения массы частиц, наблюдаемых на опыте, является важной проблемой физики элементарных частиц. Так, например, масса нейтрона несколько больше массы протона, что обусловлено, разницей во взаимодействии кварков, из которых состоят эти частицы. Примерное равенство масс некоторых частиц позволяет объединять их в группы, трактуя как различные состояния одной общей частицы с различными значениями изотопического спина.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
В жизни мы очень часто говорим: «вес 5 килограмм», «весит 200 грамм» и так далее. И при этом не знаем, что допускаем ошибку, говоря так. Понятие веса тела изучают все в курсе физики в седьмом классе, однако ошибочное использование некоторых определений смешалось у нас настолько, что мы забываем изученное и считаем, что вес тела и масса это одно и то же.
Однако это не так. Более того, масса тела величина неизменная, а вот вес тела может меняться, уменьшаясь вплоть до нуля. Так в чем же ошибка и как говорить правильно? Попытаемся разобраться.
Вес тела и масса тела: формула подсчета
Масса это мера инертности тела, это то, каким образом тело реагирует на приложенное к нему воздействие, либо же само воздействует на другие тела. А вес тела это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес под влиянием притяжения Земли.
Масса измеряется в килограммах, а вес тела, как и любая другая сила в ньютонах. Вес тела имеет направление, как и любая сила, и является величиной векторной. А масса не имеет никакого направления и является величиной скалярной.
Стрелочка, которой обозначается вес тела на рисунках и графиках, всегда направлена вниз, так же, как и сила тяжести.
Формула веса тела в физике записывается следующим образом:
где m - масса тела
g - ускорение свободного падения = 9,81 м/с^2
Но, несмотря на совпадение с формулой и направлением силы тяжести, есть серьезное различие между силой тяжести и весом тела. Сила тяжести приложена к телу, то есть, грубо говоря, это она давит на тело, а вес тела приложен к опоре или подвесу, то есть, здесь уже тело давит на подвес или опору.
Но природа существования силы тяжести и веса тела одинакова притяжение Земли. Собственно говоря, вес тела является следствием приложенной к телу силы тяжести. И, так же как и сила тяжести, вес тела уменьшается с увеличением высоты.
Вес тела в невесомости
В состоянии невесомости вес тела равен нулю. Тело не будет давить на опору или растягивать подвес и весить ничего не будет. Однако, будет по-прежнему обладать массой, так как, чтобы придать телу какую-либо скорость, надо будет приложить определенное усилие, тем большее, чем больше масса тела.
В условиях же другой планеты масса также останется неизменной, а вес тела увеличится или уменьшится, в зависимости от силы притяжения планеты. Массу тела мы измеряем весами, в килограммах, а чтобы измерить вес тела, который измеряется в ньютонах, можно применить динамометр специальное устройство для измерения силы.
Проблема «нормальной» массы тела представляется достаточно актуальной для многих людей. Правда, при этом возникают серьезные затруднения в определении самого понятия.
Чаще всего люди оценивают свой вес либо по существующим «нормам», рассчитанным на «среднего», среднестатистического человека (табл. 1), либо сравнивают себя с кем-либо из окружающих. Однако и тот и другой подходы к определению нормальной массы тела совершенно неприемлемы.
Дело в том, что «среднего» человека вообще не существует в природе, и каждый из нас отличается своими особенностями, в частности генотипическими (включая тип телосложения, характер обмена веществ и пр.), состоянием и уровнем здоровья и т.д. Например, при одинаковой длине тела нормальная масса у астеника может диагностироваться для гиперстеника как «дефицит массы тела», а нормальная масса для гиперстеника будет для астеника проявлением ожирения различной степени. Следовательно, «нормальный вес» у каждого человека должен быть свой. Главным же критерием его должны быть хорошие самочувствие и состояние здоровья, достаточная переносимость физических нагрузок, а также высокий уровень работоспособности и социальной адаптации.
Таблица 1. Стандартные формулы для оценки «нормальной» массы тела|
Критерий |
Способ оценки |
Норма |
|
Индекс Брока |
Нормальная масса тела для людей ростом от 155 до 165 см равна длине тела, из которой вычитается сто единиц; при росте 166-175 вычитается 105, при росте 176 и выше — 110 |
Оставшееся количество единиц должно соответствовать нормальной массе тела в килограммах. Например: Рост — 170 см. Нормальный вес = 170 — 105 = 65 кг |
|
Показатель Бонгарда |
Нормальная масса тела (в кг) равна росту (в см), умноженному на окружность грудной клетки на уровне сосков (в см) и деленному на 240 |
Например: Окружность грудной клетки = 102 см, рост = 170 см. Нормальный вес = 170 х 102 / 240 = 72,3кг |
|
Индекс Кетле |
Массу тела в граммах делят на рост в сантиметрах |
Норма для мужчин 350-400 г/см, для женщин 325-375 г/см |
|
Индекс массы тела (ИМТ) |
Массу тела в килограммах делят на квадрат роста в метрах |
ИМТ = 18,5-23 — норма; 24-28 — ожирение 1 степени; 29-35 — ожирение 2 степени; выше 36 — ожирение 3 степени |
|
Индекс телосложения |
В = (Р 2 х К)\1000, где В — вес, Р — рост в см, К — индекс телосложения |
Норма — 2,1 для женщин и 2,3 для мужчин |
Так что же такое «нормальная масса тела»?
Основными составляющими нашего тела являются кости, активная масса и пассивная масса — преимущественно жир. Под «активной массой тела» подразумевают суммарную массу костей, мышц, внутренних органов, кожи (без подкожной жировой клет
чатки). Следует отметить, что кости являются чрезвычайно легкими частями нашего тела, а массу нашего тела преимущественно определяют жир и мышцы.
Мышечная ткань, которая составляет подавляющую долю «активной массы тела», сжигает калории даже когда человек находится в покое. А вот жир не нуждается в энергии — он не выполняет никаких физических функций. Это не означает, что он не имеет никакого физиологического значения: Как уже отмечалось (см. раздел 6.1.), он выполняет многочисленные важные функции. Содержание жира в организме для обеспечения этих функций и в дикой природе, и у наших предков вплоть до относительно недавнего времени регулировалось естественным путем — соотношением между «приходом» и «расходом». Если человек двигался мало, то определенная часть энергии потребленной пищи переходила в жир, человеку двигаться становилось труднее, поэтому и добыча пищи была затруднена. Следовательно, ему приходилось ограничиваться в еде до тех пор, пока его масса тела не нормализовывалась, его работоспособность восстанавливалась, и он мог опять добывать себе пищу. У современного же человека, который любит вкусно и обильно поесть (да и бегать за пищей не надо!), а двигается мало, запасы жира часто оказываются крайне избыточными. Накопления жира сопровождаются многочисленными неблагоприятными для здоровья последствиями, среди которых:
- нарушения обмена веществ, следствиями которых являются: атеросклероз, сахарный диабет, заболевания суставов, печени, варикозные заболевания вен;
- нарушения деятельности сердца , обусловленные крайне значительной нагрузкой на него;
- затруднения деятельности внутренних органов из-за отложения жира непосредственно на них;
- жир в организме является «отстойником шлаков и т.д.
Исключением является состояние крайнего истощения, когда у человека начинает уменьшаться и объем активной массы.
К сказанному следует добавить внешнюю эстетическую малопривлекательность страдающего ожирением человека.
Почему же возникает ожирение?
Сначала разберемся в самом механизме образования избытков жира в организме. Оказывается, жировые клетки исключительно консервативны и, раз возникнув, исчезают уже с огромным трудом. Принципиально важно, что важнейшими возрастными периодами, когда образуются жировые клетки, являются внутриутробный (т.е. во время развития самого плода) и первые три года после рождения ребенка. К сожалению, в обыденной жизни именно в эти возрастные периоды все делается для того, чтобы в организме еще плода и ребенка образовалось как можно больше жировых клеток — и беременную, и малыша пытаются накормить как можно плотнее. В течение последующих периодов возрастного развития благодаря усиленному росту избыток сформировавшихся жировых клеток не бросается в глаза, но когда рост останавливается (у девушек это происходит около 20 — 22 лет, у молодых людей в 22 — 25), или человек заметно снижает свою двигательную активность, или вмешиваются определенные гормональные факторы (как это бывает в возрасте полового созревания у девушек) — эти клетки начинают многократно увеличиваться в размерах. Это и есть ожирение. Его называют первичны м, так как оно связано с нарушением соотношения приход/расход с преобладанием первой части этого соотношения: человек ест много, а энергии расходует мало.
С возрастом, когда течение обменных процессов замедляется, пристрастие к еде не уменьшается, а двигательная активность прогрессивно снижается, соотношение все больше и больше склоняется в сторону преобладания прихода. В этом случае происходит жировое перерождение мышечной ткани, когда мышечные волокна замещаются жировой тканью. Это не означает, что возрастное повышение массы тела закономерно — по мнению акад. Н.М. Амосова, и в 60 — 70 лет у ведущего здоровый активный образ жизни человека она должна быть такой же, как в 25 — 30 лет.
Описанные последствия переедания и малоподвижности грозят не всем, так как у разных людей тип энергетики отличается, что обусловлено (у здоровых людей) преимущественно генетическими факторами и образом жизни матери в период беременности. Так, у худых энергетический обмен в единицу времени идет более активно, поэтому, например, у здорового человека такой конституции после плотной еды он возрастает практически вдвое, а у тучного — еле заметно. На действие холода полные люди не отвечают таким же повышением энергетических затрат, как худые. Следовательно, при прочих равных условиях из потребленной пищи тучный человек усваивает энергии больше, чем ему это необходимо для поддержания жизнедеятельности и выполнения повседневных дел.
В зависимости от выраженности избыточной жировой массы ожирение классифицируют следующим образом. При превышении массы тела в пределах 9% говорят об избыточной массе тела. Как I степень ожирения рассматривают превышение массы в пределах 10-29%, II степень 30-49%, III 50-99% и, наконец, IV 100 и более процентов избыточной массы тела.
Масса является мерой инертности. Чем больше масса тела, тем оно более инертно, то есть обладает большей инертностью. Закон инерции гласит, что если на тело не действуют другие тела, то оно остается в покое или совершает прямолинейное равномерное движение.
Когда тела взаимодействуют, например, сталкиваются, то покой или прямолинейное равномерное движение нарушаются. Тело может начать ускоряться или наоборот тормозить. Скорость, которую приобретет (или теряет) тело после взаимодействия с другим телом, кроме прочего зависит от соотношения масс взаимодействующих тел.
Так если катящийся мяч столкнется на своем пути с кирпичом, то он не просто остановится, а скорее всего изменит свое направление движения, отскочит. Кирпич же скорее всего останется на месте, может быть упадет. Но если на пути движения мяча будет картонная коробка, по размерам равная кирпичу, то мяч уже не отскочит от нее с той же скоростью, что от кирпича. Мяч может вообще протащить ее впереди себя, продолжив движение, но замедлив его.
Мяч, кирпич и коробка имеют разные массы. Кирпич обладает большей массой, а, следовательно, он более инертный, поэтому мяч почти не может изменить его скорость. Скорее кирпич меняет скорость мяча на противоположную. Коробка менее инертна, поэтому ее проще сдвинуть, а сама она не может изменить скорость меча так, как это сделал кирпич.
Классический пример сравнения масс двух тел с помощью оценки их инертности таков. Две покоящиеся тележки скрепляют между собой, согнув и связав упругие пластины, припаянные к их концам. Далее пережигают связывающую нить. Пластины распрямляются, отталкиваясь друг от друга. Таким образом тележки тоже отталкиваются друг от друга и разъезжаются в противоположные стороны.
При этом существуют следующие закономерности. Если тележки имеют равные массы, то они приобретут равные скорости и до полного торможения отъедут от исходной точки на равные расстояния. Если тележки имеют разные массы, то более массивная (а значит более инертная) отъедет на меньшее расстояние, а менее массивная (менее инертная) отъедет на большее расстояние.
Причем существует связь масс и скоростей взаимодействующих тел, находящихся изначально в состоянии покоя. Произведение массы и приобретенной скорости одного тела равно произведению массы и приобретенной скорости другого тела после взаимодействия. Математически это можно выразить так:
m 1 v 1 = m 2 v 2
Эта формула говорит о том, что чем больше масса тела, тем меньше его скорость, и чем меньше масса, тем больше скорость тела . Масса и скорость одного тела находятся в обратно пропорциональной зависимости друг от друга (чем больше одна величина, тем меньше другая).
Обычно формулу записывают так (ее можно получить, преобразовав первую формулу):
m 1 /m 2 = v 2 /v 1
То есть отношение масс тел обратно пропорционально отношению их скоростей .
Используя данную закономерность можно сравнивать массы тел, измеряя приобретенные ими скорости после взаимодействия. Если, например, покоящиеся тела после взаимодействия приобрели скорости 2 м/с и 4 м/с, и известна масса второго тела (пусть будет 0,4 кг), то можно узнать массу первого тела: m1 = (v 2 /v 1) * m 2 = 4 / 2 * 0,4 = 0,8 (кг).