Татьяна Данина - Механика тел
Простые вещества состоят из химических элементов одного качества (типа). Сложные вещества состоят из химических элементов разного качества (типа).
«Тело» – это вещество, занимающее определенный объем пространства. Тела могут быть простыми и комплексными. Простое тело состоит из вещества (химического соединения) одного типа. Комплексное тело образовано веществами (химическими соединениями) разного типа.
«Среда» – понятие, синонимичное понятию «тело». Однако «среда» в отличие от «тела» в нашем представлении это, скорее всего, вещество, не ограниченное каким-то определенным объемом пространства.
Основное отличие вещества от тела или среды состоит в том, что тело или среда занимает определенный объем пространства – т. е. представляет собой определенную сумму единиц этого вещества – химических элементов или молекул. В то время как понятие «вещество» имеет скорее абстрактный характер. Говоря о каком-либо веществе, мы указываем тем самым на качественное отличие образующих это вещество структурных единиц (элементов или молекул) от структурных единиц других веществ.
Давайте выясним, почему данный раздел назван «Механика веществ, тел и сред». Дело в том, что тела и среды могут быть комплексными (и часто так оно и бывает) – т. е. содержать в себе разные вещества. И каждое из веществ в составе данного тела или среды оказывает свое собственное влияние на проявление этим телом (или средой) его механических свойств. Можно считать, что каждое из существующих веществ по-своему проявляет механические свойства. Можно уверенно утверждать, что механические свойства веществ лежат в основе механических свойств тел и сред, а не наоборот. Т. е. с механической точки зрения в первую очередь следует характеризовать вещества и лишь затем тела или среды.
В дальнейшем, характеризуя механические свойства, мы не будем говорить о средах, а только о телах, так как когда мы ограничиваем какой-либо определенный объем среды (пусть даже мысленно), то это уже не среда, а тело.
03. Энергия, сила, импульс, кинетическая энергия, теплород…
В физике существует немалая путаница, связанная с использованием понятий «энергия», «сила», «импульс» и «кинетическая энергия».
Сразу скажу, что, несмотря на то, что эти четыре понятия существуют в физике независимо друг от друга, их смысл одинаков.
Само слово «энергия» с греческого переводится как «действие». И в физике трактуется как «общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи» (Физический Энциклопедический Словарь). Таким образом, когда мы говорим об энергии того или иного тела, нас интересует действие, которое оно может оказать на другие тела.
Понятие «сила» существует в науке еще с античных времен. К примеру, изучением сил занимались в свое время Архимед и Аристотель. Можно сказать, новую жизнь дал этому понятию И. Ньютон в своих Законах механики. Сила в классической механике (механике Ньютона) – это «мера механического действия на данное материальное тело других тел» (Физический Энциклопедический Словарь). Таким образом, когда говорят о силе, которой обладает какое-либо тело, также интересуются действием, которое это тело оказывает на другие тела, (как и в случае энергии).
Слово «импульс» произошло от латинского «impulsus», что означает «удар, толчок». Импульс определяют как «количество движения» и рассматривают в качестве меры механического движения. Слова «удар» и «толчок» наводят на мысль, что понятие «импульс» родилось в механике по той же причине, по которой были введены «энергия» и «сила» – т. е. для того, чтобы узнать, какое воздействие может оказать то или иное движущееся тело на тела, встречающиеся ему на пути. «Ещё в первой половине XVII века понятие импульса введено Рене Декартом. Так как физическое понятие массы в то время отсутствовало, он определил импульс как произведение «величины тела на скорость его движения». Позже такое определение было уточнено Исааком Ньютоном. Согласно Ньютону, «количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе»» (см. Википедия, Импульс).
И, наконец, «кинетическая энергия» – половина произведения массы тела на его скорость. В 1829 году этот термин впервые использовал Гюстав Гаспар Кориолис. Что такое «энергия» мы уже говорили – это «действие». А «кинетическая» от греческого kinezis – это «движение». Таким образом, в этом термине мы снова можем наблюдать стремление ученых выяснить, какое воздействие оказывают движущиеся тела на другие тела, встречающиеся им на пути.
Давайте вспомним формулы, описывающие все четыре указанных выше понятия. Все четверо представляют собой произведение двух физических величин – массы и скорости. Конечно, формулы, описывающие произведение данных величин, полностью не соответствуют друг другу. Лишь формула «импульса» представляет собой в чистом виде произведение массы и скорости – p=mv. В формуле для «кинетической энергии» присутствует коэффициент ½ и скорость возведена в квадрат – T=mv²/2. А в формуле для «силы» вместо скорости стоит ускорение – F=ma. Но причина последнего факта проста. И.Ньютон, выводя данную формулу, стремился поставить знак равенства между действием (давлением), которое оказывают на другие тела те тела, которые просто инерционно движутся в атмосфере по поверхности планеты или относительно ее, и действием (давлением) тел, которое обусловлено действием Поля Притяжения планеты (в частности, Центростремительного Поля Притяжения Земли). А гравитационное поле планеты (например, Земли) заставляет другие тела меньшего размера в его составе «падать» в направлении центра планеты с ускорением. Вот поэтому в формуле для «силы» у И.Ньютона появилось «ускорение» вместо «скорости». Задумайтесь, ведь тело, движущееся механически, а не под действием гравитации, может двигаться как угодно – равномерно или с ускорением. Это не главное. Величина импульса, энергии или кинетической энергии также может меняться за счет приращения или уменьшения скорости. Главное, что все три формулы объединяет наличие в них произведения массы и скорости и отсутствие других физических величин.
Знаменитейшую формулу А.Эйнштейна – Е=mc² – также можно внести в этот список, хотя он и составлял ее для описания закономерностей перемещения фотонов. В его формуле также фигурирует «энергия», «масса», «скорость» и ничего более.
Таким образом, исходя из сказанного выше, становится ясно, что данные четыре величины выполняют в физике одну и ту же функцию, так же, как и соответствующие им формулы. Они стремятся определить и измерить ТО, что заставляет движущиеся тела оказывать давление на встречные тела (и даже сдвигать их с места или разрушать их). Именно это неведомое «нечто» именуют «энергией», «силой», «импульсом» и «кинетической энергией». Это «нечто» способно переходить от одного тела к другому. Например, в механике говорится, что тела способны передавать свой импульс другим телам. Импульс при соударениях в той или иной мере переходит от тела к телу, но при этом его общее численное значение остается неизменным – «Закон сохранения импульса». Примерно об этом же повествует и «Закон сохранения энергии». Нечто, именуемое «энергией» и содержащееся в движущемся теле, при его соударении с другими телами не исчезает и может передаваться этим, другим телам.
«Закона сохранения силы» и «Закона сохранения кинетической энергии» не существует. Но их можно ввести, и тогда вместе с вышеупомянутыми Законами сохранения энергии и импульса они станут выполнять в физике одну и ту же функцию. А именно – указывать на то, что движущееся тело обладает ЧЕМ-ТО, что сохраняется при соударениях и может передаваться другим телам.
Помните теплород, концепция которого господствовала одно время в научных кругах? Ученые полагали, что в нагреваемых телах возрастает содержание некоего «теплорода», который как раз и отвечает за состояние нагрева тела, за его возросшую температуру. «Теплород – по распространённым в XVIII – начале XIX веков воззрениям, невесомая материя, присутствующая в каждом теле и являющаяся причиной тепловых явлений. Теория теплорода была отвергнута в результате испытаний, что послужило опорой для принятия молекулярно-кинетической теории в середине XIX века» (см. Википедия, Теплород). Можно только удивляться тому, насколько правы были создатели и сторонники концепции теплорода. Конечно, определение теплорода не совсем точное, но в целом все очень близко к истине. А теперь я спрошу вас. Скажите, случайно ли на протяжении многих веков ученые так упорно сохраняют и поддерживают идею о том, что тела в процессе движения или в процессе нагрева могут обладать чем-то невидимым, но очень реальным, обладающим способностью перемещать тела. Названий для этого Нечто моно придумать сколько угодно – энергия, сила, импульс, кинетическая энергия, теплород, флогистон, флюид… Смысл останется неизменным.
