Юный техник, 2014 № 10

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ Вес и масса, инерция и инерционность

Мы часто употребляем слово «масса», но не всегда правильно его истолковываем. Например, очень часто массу путают с «весом», считая, что это одно и то же. На самом деле вес и масса идентичны лишь в условиях нашей или иной планеты, где действует определенная сила гравитации. Если же мы переместим человека весом в 70 кг в условия невесомости, вес его станет равен нулю, в то время как масса останется без изменений.

Проверить наши рассуждения можно при помощи такого мысленного опыта. Для определения веса обычно пользуются весами — пружинными или коромысловыми. Единицей веса служит, как вы знаете, килограмм. Для определения массы тоже пользуются весами, но только коромысловыми, на которых сравнивают измеряемую массу с массой эталона в 1 кг.

Итак, проведем воображаемый эксперимент. Мысленно сядем в ракету и отправимся на Луну, прихватив с собой пакет с 6 кг сахара. Взвесив пакет с сахаром на Луне с помощью пружинных весов, мы обнаружим, что теперь у нас в пакете всего-навсего. 1 кг сахара. Догадались, почему так получается? Правильно, потому что на Луне в 6 раз меньше сила гравитации, или тяжести, чем на Земле. Если же мы измерим массу сахара на коромысловых весах, положив на одну чашку пакет с сахаром, а на другую — шестикилограммовую гирю, прихваченную с собой, то убедимся, что все в порядке — сахар по-прежнему имеет массу 6 кг.

Вес, таким образом, может уменьшаться и даже исчезать. Тот же пакет с сахаром в невесомости вообще ничего не весил, масса же никогда не исчезает.

Масса тела — это прежде всего его свойство откликаться определенным ускорением на действие определенной силы. Чем массивнее тело, тем сложнее его сдвинуть с места, будь то на Земле или в космосе. Если же тело движется, то его и затормозить тем сложнее, чем больше его масса.

То есть, говоря иначе, чем массивнее тело, тем больше его инерция, его стремление сохранить свое состояние неизменным. Одним из первых в науке это заметил И. Ньютон, который и сформулировал ныне известный всем первый закон: «Всякое тело продолжает сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действия на него других тел не выведут его из этого состояния».

Что же касается понятий «инерция» и «инертность», то многие опять-таки полагают, что они идентичны. Мы же все-таки советовали бы их различать. Инерция — это явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действия других тел. Инертностью же называется свойство тел изменять свою скорость не мгновенно, а в течение некоторого времени. Чем больше инертность, тем медленнее происходят эти изменения.

Разобравшись более-менее с понятиями, давайте теперь проведем некоторые опыты, которые позволят нам проследить за свойством каждого массивного тела реагировать, откликаться определенным ускорением на приложенную к нему силу.

Подвесьте на нитках на какой-либо перекладине две одинаковые коробки из картона. Одна коробка пусть будет пустой, а другую давайте наполним песком или глиной. После этого она сразу станет куда массивней.

Привяжите к нижней части каждой коробки по такой же нитке, на каких они висят. Если вы с силой дернете нижнюю нитку, привязанную к пустой коробке, то может оборваться любая из ниток — та, на которой коробка висит, или же та, за которую вы дернули.

Почему? Да потому, что инертность пустой картонной коробки невелика, поэтому рывок воспринимается обеими нитками одинаково. И какая из них порвется — дело случая.

Иное произойдет со второй коробкой, заполненной песком или глиной. При резком рывке за нижнюю нитку, скорее всего, порвется именно она. Хотя, казалось бы, должно произойти наоборот — ведь верхняя нитка уже нагружена массой заполненной коробки. Так, кстати, и произойдет, если вы натянете нижнюю нитку плавно, без рывков.

А вот если дернуть резко, то наполненная коробка, обладающая большой инертностью, не успеет передать усилие рывка верхней нитке, поэтому нижняя нитка порвется.

Эти опыты немного похожи на опыт с двумя коробками. Кирпичи использованы лишь потому, что обладают большей массой. Подвесьте на той же перекладине, что и в первом опыте, на бечевке один кирпич, а рядом два кирпича, связанных вместе.

Перед вами два «физических тела». Причем у одного из них инертность вдвое больше, чем у другого. Чтобы в этом убедиться, привяжите и к одному, и к двум кирпичам по одинаковой тонкой резинке. Когда вы потянете по очереди за резинки, вы увидите, что кирпичи начинают двигаться при разных растяжениях резинок.

Два кирпича приходят в движение, когда резинка растянулась сильнее, значит, и сила была приложена большая.

По идее, она должна была бы растянуться сильнее в 2 раза. Однако на самом деле это не совсем так. Дело в том, что подвешенные кирпичи не только сдвигались с места, они немного приподнимались.

Чтобы провести такой эксперимент чисто, нам пришлось бы вместе с кирпичами отправиться на МКС, где все предметы находятся в невесомости. Там наши кирпичи просто бы повисли в воздухе и привязанная к более массивной паре кирпичей резинка растянулась бы вдвое сильнее, чем та, что привязана к одиночному кирпичу.

Но такой опыт обошелся бы нам очень дорого. Ведь доставка каждого килограмма груза на орбиту обходится примерно в 20 000 долларов или 600 000 рублей! А потому вернемся на Землю и займемся куда более дешевыми экспериментами.

Для следующего опыта нам понадобятся монеты одинакового размера. Причем лучше всего взять 5-рублевые — они наиболее массивны. Попросите на время у родителей и сразу успокойте их — с монетами ровным счетом ничего не произойдет.

На гладкую, лучше всего пластиковую, поверхность стола поставьте монеты столбиком. Возьмите металлическую линейку и быстрым скользящим ударом линейки по нижней монете выбейте ее из-под столбика. Если удар был достаточно резок, то столбик остается на месте — вылетит лишь нижняя монета. Здесь проявилась опять-таки инертность массы всего столбика. Выскользнувшая из-под столбика монета не успела передать всему столбику сообщенную ей скорость.

Этим опытом забавлялись любители занимательных опытов еще в конце позапрошлого века.

С тех же времен сохранилось описание и такого эксперимента (правда, для удачного его выполнения нужна предварительная тренировка).

На край гладкой столешницы положите узкую полоску бумаги шириной 2–3 см. Конец полоски должен свешиваться с края стола. На другой конец полоски, лежащий на столешнице, аккуратно поставьте на ребро вдоль полоски 5-рублевую монету. Для этого нужна новая монета, с нестертыми краями. Иначе она стоять не будет.

Резким рывком выдерните бумажную полоску из-под монеты.

Если движение было достаточно быстрым, монета даже не дрогнет. Монета, как и всякое материальное тело, обладает инертностью, и быстрый рывок не успел сообщить ей ускорение, привести ее в движение.

Этим свойством, кстати, часто пользуются фокусники. Резким рывком они могут сдернуть со стола скатерть, оставив всю посуду на столе. Но мы бы вам с посудой экспериментировать не советовали. Получится опыт с первого раза или нет, еще не известно, а вот от мамы может нагореть за разбитую посуду — это совершенно точно!