ЕЩЕ РАЗ ОБ ИНЕРЦИИ,ИНЕРТНОСТИ И ИНЕРТНОЙ МАССЕ
Вызывает тревогу то,что на эти понятия каждый автор школьных учебников и пособий по физике имеетсвое мнение. В какое же трудное положение попадает школьник, которыйопределения этих понятий изучал по учебникам одних авторов, а экзамен сдает имеющимдругие мнения о рассматриваемых понятиях. Но абсолютная истина одна. Намкажется, что настало время придти к этой истине. Выскажем свою точку зрения какэто можно сделать.
ИНЕРЦИЯ
В вопросе об инерциибольшинство авторов сходятся на том, что инерция — это явление сохранениясвободными телами (телами, не испытывающими действия окружающих тел) неизменнойскорости движения. Это подтверждается многочисленными опытами. Например,стопка шашек сохраняет состояние покоя при резком выдергивании из-под неебумажной ленты (рис.1), а тележка (рис.2а), находящаяся на движущейсяплатформе, продолжает движение с той же скоростью при резкой остановкеплатформы (рис.2)./>
/>
Более подробно обинерции изложено в 11-м номере журнала «Квант» за 1985 год. Мы придерживаемсяэтой же точки зрения, т.к. она совпадает со взглядами великих ученых Г.Галилея иИ.Ньютона.
ИНЕРТНОСТЬ
А вот об инертности телмнения авторов расходятся, но их можно свести к четырем утверждениям.
1. Свойство свободныхтел сохранять свою скорость движения неизменной называется инертностью. Истинностьэтого утверждения вытекает из формулировки 1-го закона динамики, данной самимИ.Ньютоном: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя илиравномерного прямолинейного движения пока и поскольку оно не понуждается приложеннымисилами изменить это состояние.» Отсюда ясно видно, что тела обладают врожденнымсвойством сохранять скорость своего движения или покой при отсутствии внешнихвоздействий. Это свойство тел и называется инертностью (рис.1 и рис.2). Инертностьявляется причиной инерции. О природе инертности классическая физика ответа недает. Заметим, что все наши рассуждения справедливы в ИСО.
2. «Инертность – этоспособность тел приобретать определенную скорость при их взаимодействии».Антинаучное утверждение, противоречащее взглядам И.Ньютона, т.к. ученый говорито способности тел сохранять (а не приобретать) свою скорость движения.
3.«Любое тело самопрепятствует изменению своей скорости. Это свойство тел называетсяинертностью.» Как указывал И.Ньютон для измененияскорости тел необходимо некомпенсированное действие на них окружающих тел. Естественно,что при этом окружающие тела испытывают противодействие со стороны данных тел,т.к. в силу инертности данные тела стремятся сохранить скорость движения неизменной.Значит, причиной противодействия является инертность. Тем более, сами себе телане могут противодействовать, т.к. в мире не существует одностороннего действия,а всегда есть взаимодействие.
4. «Инертность –свойство тел, состоящее в том, что для изменения скорости тел необходимо время»Действительно, для изменения скорости тел необходимо время. Ни одно тело в мирене может мгновенно изменить свою скорость даже под действием очень большойсилы. Убедится в этом возможно на опытах (рис.3).
/>
Рис. 3а рис.3б рис.3в
/>Натонкой нити подвесим металлический цилиндр, снизу привяжем точно такую же нить(рис.3а). Если резко дернуть за нижнюю нить, то верхняя нить остается целой, аобрывается нижняя нить (рис.3б). При постепенном натяжении нижней нитиобрывается верхняя нить (рис.3в). Причиной этому является инертность цилиндра,который не успевает за короткое время действия хотя и большей силы достаточноизменить свою скорость и совершить заметное перемещение, достаточное дляразрыва верхней нити. Итак, необходимость времени для изменения скоростиявляется следствием инертности тел. У безинертных тел скорость менялась бымгновенно даже при действии ничтожно малой силы.
ИНЕРТНАЯ МАССА
1.Тела в разной мереинертны. Убедимся в этом на одном из многочисленных опытов.Если на движущиеся с одинаковой скоростью пустую (рис.4а) и груженную тележки(рис.4б) в течении одинаковых промежутков времени подействовать равными силами,то изменения скоростей будут неодинаковыми. Груженная тележка в меньшей мереизменила свою скорость и ее движение после прекращения действия силы ближе кдвижению по инерции и поэтому она является более инертной, чем пустая тележка,у которой изменение скорости больше и движение в меньшей мере походит надвижение по инерции. Для количественной оценки меры инертности тел вводитсяфизическая величина, называемая инертной массой mи В рассматриваемомопыте масса груженной тележки больше, чем масса пустой тележки.
/>
/>
2.Сравнение инертныхмасс. Сравнивать инертные массы можно и по приобретенным телами ускорениям т.к.ускорение есть изменение скорости за единицу времени. Подавляющее большинствоавторов школьных учебников допускают при этом грубейшую ошибку. Онирассматривают всевозможные взаимодействия двух тел (рис.5), измеряют полученныетелами ускорения и утверждают, что большую инертную массу имеют тела, которыеприобрели при этом меньшее ускорение.
/>
Но, во-первых, такоеутверждение справедливо при одинаковом воздействии на оба тела, т.е. при равныхсилах. А это требует предварительного изучения 3-го закона Ньютона.
Во-вторых, обнаружив,что во всех случаях взаимодействия двух тел отношение ускорений есть величинапостоянная, необоснованно утверждают, что это отношение равно обратномуотношению инертных масс, т.е. a1/a2= m2/m1(1).Сомнительный постулат!? Кроме того, возможны и другие математические выражениядля этого случая. Например,
a1/a2=m22/m12, a1/a2=(k2m2+b2)/(k1m1+b1)ит.д.
Какое же истинно?
В-третьих, из равенства(1) не следует, что инертные массы тел величины постоянные. Ведь возможно они сувеличением ускорений тоже возрастают так, что их отношение остаетсяпостоянным.
В-четвертых, такой путьтребует введение еще одного не совсем очевидного постулата для силы, т.е. F = ma.
В-пятых, в равенстве(1) скрыто постулируются 3-ий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Немного ли противоречий и сомнительных постулатов? Верный путь решения даннойпроблемы выбран в учебниках под редакцией Г.Я.Мякишева. Измеряя ускорения,полученные телом под действием различных сил (рис.4а), обнаружим, что ускорениепрямо пропорционально приложенной силе, т.е. a ~ F. Но тогда отношение модуля силык модулю полученного под действием этой силы ускорения является постояннойвеличиной. Это отношение показывает, какую силу нужно приложить к данному телудля сообщения ему ускорения 1 м/с2. Если такой же опыт повторить сболее инертным телом (рис.4б), то это отношение будет иметь большее значение,т.к. для сообщения более инертному телу такого же ускорения 1 м/с2требуется и большая сила. Поэтому, за меру инертности тел – инертную массу – принимаетсяфизическая величина, равная отношению модуля приложенной к телу силы к модулюприобретенного при этом ускорения, т.е. m= F / a.Такой способ введения инертной массы позволяет обнаружить:
1.Масса тела естьвеличина постоянная и не зависит от времени, положения тела в пространстве,скорости его движения (при скоростях значительно меньших скорости света ввакууме) и рода происходящих с телом процессов (закон сохранения массы).
2.Масса тела равнасумме масс составляющих это тело частей (аддитивность масс).
3. Масса однородноготела прямо пропорциональна числу частиц в теле.
4.Масса однородноготела прямо пропорциональна его объему.
5.Инертная массагравитационного эталона массы тоже равна 1 и называется килограммом.
В настоящее время этоустановлено с точностью 10-12. И, наконец, такой путь позволяетвполне обоснованно вывести 2-ой закон Ньютона.
Всего только два вполнеочевидных постулата: один для единицы силы (за единицу силы 1Н принимаетсясила, которая эталону гравитационной массы сообщает ускорение 1 м/с2),второй для инертной массы – и научно решен вопрос об измерении инертной массы ивыводе 2-го закона Ньютона.