Определение силы и массы

Исторические проблемы физики. Сила, масса, инерциальная система отсчета.

А.И. Сомсиков

Определение силы и массы

В физике смысл каждой вновь вводимой величины, кроме первоначальных, считается выясненным в том случае, когда найдено уравнение, в котором эта величина выражается через ранее введенные, первоначальные же величины не выводимы.

Например, скорость определяется как отношение пройденного пути ко времени, в течение которого путь пройден (путь и время – первоначальные понятия, не поддающиеся дальнейшему разложению); ускорение есть отношение величины изменения скорости ко времени, в течение которого произошло изменение; работа есть произведение силы на пройденный путь; мощность есть отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершалась и т.д.

Не все величины, однако, имеют столь ясно определенный физический смысл и, прежде всего, две фундаментальные величины классической механики - сила и масса.

Причина состоит в том, что Ньютон ввел одновременно обе эти величины в одном уравнении второго закона механики, вследствие чего одна неизвестная величина - сила определялась через другую неизвестную - массу и наоборот.

Логический круг может быть преодолен путем добавления второго уравнения, содержащего те же неизвестные, исключения одной из неизвестных и выражения второй неизвестной через известные.

Недостающее уравнение было также дано Ньютоном (закон всемирного тяготения для неподвижных и медленно движущихся относительно скорости света тел), так что полная система двух уравнений есть:

,

.

Для того чтобы выяснить физический смысл входящих величин и , нужно, как сказано, решить эту систему.

Итак, пусть сила, вызывающая ускоренное движение тела с массой , является силой тяготения:

.

После сокращения получим: .

Откуда: .

Положив теперь , приходим к следующему определению массы: .

Массой тела называется произведение ускорения, приобретаемого другим телом, находящимся на заданном расстоянии от него, на квадрат расстояния между телами.

Из формулы видно, что возможно как скалярное, так и векторное истолкование массы:

.

Второй закон механики является феноменологическим определением силы (если положить ):

.

Сила есть произведение ускорений взаимодействующих тел на квадрат расстояния между телами.

Из определения следует, что правильно говорить “сила тел” вместо “сила, приложенная к телу”, т.к. сила не является самостоятельной сущностью, могущей быть приложенной, но лишь указанным выше произведением.

Полная система уравнений ньютоновой динамики состоит из 4-х уравнений:

,

,

,

и содержит 4 неизвестных - , , , .

Решение этой системы есть:

,

,

.

Заметим, что отсутствие или изменение любого из приведенных уравнений делает в первом случае невозможным однозначное определение силы и массы, т.к. при этом остается 3 уравнения с 4-мя неизвестными, а во втором равносильно полному изменению смысла и .

А потому, если где-нибудь равенство , например, заменяется равенством , (), то здесь следует начать с того, что неизвестно, что такое и , и то, что обозначено прежней буквой, является совершенно новым понятием.

Система отсчета

Система отсчета СО, в которой измеряются ускорения , , носит наименование инерциальной системы отсчета (ИСО).

Основным свойством ИСО является независимость ускорения тела 1 от самого этого тела (постоянство массы тела 2 при изменении тела 1), точно так же ускорение тела 2 не зависит от самого тела 2 (постоянство массы тела 1 при изменении тела 2).

Это означает, что в ИСО приращение ускорения с изменением тела 1 относится каждый раз к телу 2, соответственно с изменением тела 2 считается относящимся к телу 1.

Иными словами, с изменением тела 1 ускорение системы отсчета относительно тела 1 не изменяется (система отсчета остается прежней), точно так же с изменением тела 2 ускорение системы отсчета относительно тела 2 не меняется.

Отсюда следует, что для любой пары 1', 2' ИСО остается той же самой, что и для 1, 2.

В самом деле, произвольную пару 1', 2' можно получить из заданной пары 1, 2 путем последовательной замены вначале тела 1 на тело 1', при этом относительно 1' ИСО движется с прежним ускорением , т.е. не изменяется, а ускорение тела 2 измеряется в этой же системе отсчета; затем тела 2 на тело 2', при этом относительно 2' ИСО движется с прежним ускорением (не изменяется), а ускорение тела 1' измеряется относительно этой же системы отсчета.

В итоге, ускорения тел 1', 2' измеряются относительно той же системы отсчета, что и ускорения тел 1, 2, с точностью до любой другой системы, движущейся относительно первой без ускорения.

В ИСО ускорение тела 1 и связанной с ним системы отсчета СО1 равно , соответственно ускорение тела 2 и системы СО2 - .

В СО1 ускорение ИСО равно минус , а ускорение СО2 равно: .

Присоединим к телу 1 некоторое тело 3.

При этом ускорение СО2 в ИСО становится равным ( от добавления тела 3 не меняется).

В СО1 ускорение СО2 становится равным .

Таким образом, приращение от добавления тела 3 в ИСО и в СО1 имеет одинаковую величину и, следовательно, его можно определить измерением в СО1.

Но это приращение в ИСО однозначно определяет массу тела 3!

Заметим, что как только найдена масса хотя бы одного из тел (в данном случае - тела 3), массы всех остальных тел находятся легко, для чего следует последовательно помещать исследуемые тела на заданном расстоянии от тела 3 и измерять ускорение исследуемых тел относительно тела 3.

При этом получим: ,

где - ускорение i-го тела относительно тела 3,

- ускорение i-го тела относительно ИСО,

- ускорение тела 3 относительно ИСО.

Откуда: ,

,

где - масса i-го тела.

Вышесказанное является анализом исторически данного материала.

Правильный порядок построения феноменологической теории динамики следующий.

Начало построения

Геометрическое сравнение тел осуществляется путем сравнения их размеров; в физике тела сравнивают по их движениям, при этом характеристики движений служат характеристиками тел.

Опытным путем установлено, что тела, могущие свободно перемещаться друг относительно друга, самопроизвольно приходят в движение (взаимодействуют), причем в системе отсчета, связанной с телом 1 (СО1) тело 2 приобретает ускорение , зависящее от тела 1 (соответственно в СО2 тело 1 имеет ускорение , где ).

Однако это ускорение еще не может служить характеристикой тела 1 прежде всего потому, что это величина неоднозначная, а зависит еще и от расстояния: ~ .

Величиной, не зависящей от расстояния, является произведение: .

Однако и эта величина еще не может служить характеристикой тела 1, т.к. она зависит не только от тела 1, но и от тела 2, иными словами с изменением тела 2 ускорение меняется:

.

Сделать это ускорение не зависящим от тела 2 можно путем перехода к другой системе отсчета (названной инерциальной СО или ИСО), движущейся ускоренно относительно СО1 (самого тела 1) с некоторым ускорением .

Найти ИСО значит определить , зная .

Пусть даны тело 1 совместно с его системой отсчета СО1 и тело 2.

В СО1 ускорение тела 2 равно .

В искомой ИСО ускорения тел 1, 2 составляют: , .

При этом: .

Неподвижно присоединим к телу 1 некоторое тело 3.

В искомой ИСО совместное ускорение тел (1 + 3) не зависит от тела 1 и составляет по-прежнему .

Ускорения тела 2 равны теперь: в ИСО - , в СО1 - .

При этом: .

Пусть: .

Имеем: , т.е. изменения ускорений тела 2 в СО1 и в ИСО одинаковы, равны и могут быть найдены измерениями в СО1.

Уберем теперь тело 1.

В искомой ИСО ускорение оставшегося тела 3 не изменится и составляет по-прежнему .

Ускорения тела 2 равны теперь: в ИСО - , в СО1 - .

При этом: .

Оба ускорения и изменятся в сравнении с , на одинаковую величину, равную :

,

.

Зная и , найдем теперь :

.

Зная , найдем :

.

При заданном ускорение теперь уже не зависит от тела 2, а зависит только от тела 1.

В свою очередь произведение уже не зависит ни от тела 2, ни от расстояния и потому может служить однозначной характеристикой тела 1.

Эта характеристика получила наименование массы:

.

Выбор ИСО, не связанной ни с одним из взаимодействующих тел, движущейся ускоренно относительно каждого из тел и притом с разными ускорениями объясняется именно тем, что при этом достигается однозначность характеристик каждого из взаимодействующих тел.

Коэффициенты

Исходные формулы при построении систем единиц динамики Ньютона следующие: ,

.

В системе единиц, предложенной В. Томпсоном, оба коэффициента принимаются равными единице:

,

при этом сам эталон массы оказывается вполне определенным (~ 15 т, при единице длины - см и единице времени - с).

Покажем, как появляются коэффициенты в формулах Ньютона в случае, если эталон массы выбирается произвольно.

Пусть, например, новый эталон массы составляет томсоновых эталонов (g имеет произвольное, отличное от единицы числовое значение).

Тогда: .

В системе единиц типа “динамической” :

.

Поскольку: , и , ,

то получаем: или , откуда .

В системе единиц типа “гравитационной” :

.

Второй закон Ньютона: в новой системе единиц:

или откуда: .

В частном случае, когда коэффициент  в точности равен “гравитационной постоянной”, мы получаем собственно гравитационную и собственно динамическую системы единиц.

Если новый эталон массы, измеряемый в долях от томсонова эталона массы, сохраняет прежнюю размерность [см3/c2], то коэффициент  есть число, показывающее во сколько раз новый эталон больше или меньше томсонова эталона.

Если же новому эталону дано и новое название (например, грамм), то коэффициент  приобретает размерность:

.

Итак, гравитационная и динамическая постоянные появляются вследствие произвольности выбора эталона массы при построении систем единиц измерения и не имеют собственного физического смысла.