Татьяна Данина: Механика тел

« 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.

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.