Измерение массы, плотности, момента инерции, силы, давления, вязкости

Что касается механики, то это раздел физики, в котором изучается простейшая форма движения материи — механическое движение, т. е. перемещение одних тел или частей тела относительно других. Эти движения возникают в результате действия на данное тело или данную часть тела сил со стороны других тел или других частей тела. Задача механики состоит в экспериментальном исследовании различных движений и обобщении полученных экспериментальных данных в виде законов движения, на основании которых далее в каждом конкретном случае может быть предсказан характер возникающего движения. Вопросы о природе сил, вызывающих механические движения, выходят далеко за рамки механики. На эти вопросы механика ответить не в состоянии, они изучаются в других разделах физики — в электродинамике, молекулярной физике и т. д. Поэтому независимо от природы сил, вызывающих механическое движение, изучение самих этих движений, рассматривается как задача механики.

Наметить границы механики как раздела физики на основании каких-либо признаков, касающихся природы сил, вызывающих движение, невозможно; любое такое разделение всегда оказалось бы более или менее произвольным. К задачам механики с одинаковым основанием могут быть отнесены как движения тела под действием упругих сил, сил трения и сил всемирного тяготения, так и движения электрически заряженного тела под действием сил со стороны других электрически заря­женных тел (неподвижных или движущихся). Однако относить к механике все задачи о движении электрически заряженных тел невозможно, потому что среди этих задач встречаются такие, которые не могут быть решены путем применения только законов механики, а требуют применения также законов, лежащих в основе других разделов физики, в частности электродинамики.

При движении электрически заряженных частиц в известных случаях возникает электромагнитное излучение и создается электромагнитное поле, которое действует на породивший его заряд с определенной силой. Процесс электромагнитного излучения и характер излучаемого электромагнитного поля определяются законами электродинамики. Пользуясь законами механики и электродинамики, можно рассмотреть движение заряженного тела при: наличии электромагнитного излучения.

Однако если бы такие задачи мы включили в механику, то для их решения пришлось бы привлекать электродинамику. Поэтому естественно именно в этом месте провести границу между механикой и электродинамикой, т. е. включить в механику те задачи о движении электрически заряженных тел, в которых электромагнитное излучение движущегося тела не играет существенной роли и им можно пренебречь: Конечно, при таком пренебрежении решение задачи оказывается правильным лишь приближенно, но все же достаточно точным для ответа на многие (в том числе и практически важные) вопросы.

Приступая к решению задач механики, необходимо, прежде всего, рассмотреть методы описания движений. Раздел механики, в котором рассматриваются только методы описания движений, но не ставятся вопросы о законах движения, называется, кинематикой. Законы движения и их применение к отдельным конкретным задачам изучает динамика. Динамика в виде частного случая включает в себя статику, изучающую условия, при которых тела останутся в покое. В зависимости от свойств тел, движение которых изучается, характера изучаемых движений и содержания вопросов, на которые должен быть получен ответ, механика делится на механику точки, механику твердых (недеформируемых) тел и механику упругих тел (последняя включает в себя механику жидкостей и газов).

Для того чтобы стало ясно, какой физический смысл содержится в этом разделении; рассмотрим следующий конкретный пример. Металлический диск подвешен горизонтально на цилиндрической пружине, прикрепленной к центру диска (рис. 1,а). Когда диск совершает вертикальные колебания, которые возникнут, например, если мы оттянем диск вниз и сразу отпустим его (рис. 1,б), то период колебаний не зависит сколько-нибудь заметно от размеров и формы диска и определяется упругостью пружины и массой диска. Когда диск совершает крутильные колебания вокруг вертикальной оси, которые возникнут, например, если мы повернем диск вокруг вертикальной оси на некоторый угол, а затем сразу отпустим его (рис. 1,в), то опыт показывает,. что период колебаний диска, помимо упругих свойств пружины, зависит от размеров, формы и массы диска, но не зависит от его упругих свойств.

А если нас интересует вопрос о периоде тех звуковых колебаний, которые будет совершать диск после удара по нему, то мы на опыте сможем убедиться, что период этих колебаний зависит не только от массы, размеров и формы диска, но и от его упругости. Таким образом, опыт показывает, что в разных движениях определяющую роль играют разные свойства реального объекта (диска). Период вертикальных колебаний диска зависит (помимо упругих свойств пружины) от его массы, но не зависит от его размеров и упругих свойств. Поэтому можно заменить диск материальной точкой, т.е. телом, не обладающим размерами, но обладающим массой. Заменив диск материальной точкой, которая обладает массой диска, мы правильно отразим то единственное свойство реального объекта, которое играет определяющую роль в рассматриваемом движении.

Период крутильных колебаний зависит от массы диска и его размеров, но не зависит от его упругих свойств; поэтому, рассматривая диск как твердое тело, мы сможем правильно отразить те свойства реального диска, которые играют роль в рассматриваемом движении. Наконец, период звуковых колебаний зависит не только от размеров диска, но и от упругих свойств и плотности материала, из которого диск сделан. Поэтому только представление об упругом теле, обладающем размерами, упругостью и плотностью реального диска, позволяет правильно отразить его свойства, которые играют роль в рассматриваемом движении.

Как видим, один и тот же объект в зависимости от характера изучаемого движения рассматривается то как материальная точка, то как твердое тело, то как упругое тело, и соответственно задача, которую мы решаем, относится либо к механике точки, либо к механике твердого тела, либо к механике упругих тел.

Но, рассматривая диск как упругое тело, т. е. учитывая его массу, фирму, размеры и упругость, все же не удается передать все без исключения свойства реального диска. Всякий металл обладает внутренним трением, на преодоление которого затрачивается часть энергии упругих колебаний, превращающейся в тепло, вследствие чего колебания постепенно затухают. Однако поскольку внутреннее трение, если оно мало, практически не влияет на период звуковых колебаний, мы можем, рассматривая диск как абсолютно упругое (т. е. не обладающее внутренним трением) тело, правильно определить период звуковых колебаний). Но если бы нас интересовал вопрос о том, как быстро затухнут эти колебания, мы не могли бы дать правильного ответа на этот вопрос, рассматривая диск как абсолютно упругое тело.

Приведенный конкретный пример в достаточной степени разъясняет смысл разделения механики на механику точки, твердого тела и упругих тел. В природе не существует ни материальных точек, ни твердых (недеформируемых) тел, ни абсолютно упругих тел. Все это абстракции, которыми приходится пользоваться в науке для того, чтобы правильно отразить те свойства реальных объектов, которые необходимо учесть при решении поставленной задачи. Применяемые абстракции никогда не отражают полностью всех свойств реального объекта. Но это и не обязательно, если те свойства реального объекта, которые применяемая абстракция не отражает, не сказываются сколько-нибудь заметно на характере изучаемого движения; между тем применение абстракций существенно упрощает решение всякой задачи. Если бы мы пытались всякий раз полностью учесть все свойства реального тела, движение которого должно быть рассмотрено, то задача настолько усложнилась бы, что решить ее практически было бы невозможно. Поэтому всегда следует стремиться применять абстракции, правильно отражающие только те свойства реальных объектов, которые играют определяющую роль в рассматриваемом движении.

Однако, приступая к изучению тех или иных движений, мы еще не знаем достоверно, какие свойства реальных тел играют определяющую роль в данном движении, поэтому мы не знаем заранее, какие абстракции в данном случае надлежит применять. Только опыт дает указания о роли тех или иных свойств реальных тел в интересующем нас движении, а следовательно, и о том, какие из этих свойств необходимо учесть. Иногда такой непосредственный опыт оказывается ненужным, так как накопленные нами ранее сведения, относящиеся не к изучаемому, а к сходным с ним другим движениям, позволяют, более или менее уверенно судить о том, какие свойства реальных тел; нужно учесть, чтобы правильно решить поставленную задачу. Тем не менее, во всех случаях, после того как задача уже решена, полученные результаты необходимо сопоставить с опытом. Конечно, сопоставление результатов теории с данными опыта никогда не может дать, полного совпадения тех и других, так как, с одной стороны, всякая теория является приближенной (уже по одному тому, что все абстракции лишь частично и притом приблизительно правильно отражают; свойства реальных объектов), а с другой — данные опыта также являются лишь приблизительно правильными, так как всякие измерения производятся с известной степенью точности. (Предельная достижимая степень точности определяется уровнем измерительной техники; но для решения практических задач часто бывает достаточна меньшая точность.) Если в пределах той точности, с которой производятся измерения, данные этих измерений не отличаются от результатов, теории, говорят о согласии теории с опытом. Только такое согласие теории с опытом дает нам уверенность в том, что примененные абстракции с достаточной точностью отражают все те черты реальной системы, которые определяют характер интересующих нас движений. Как бы логичны и последовательны ни были физические теории, в основе их всегда лежит применение абстракций, не отражающих всех свойств реальных объектов. И в самой теории не могут содержаться доказательства законности применения этих абстракций. Только согласие теории с опытом служит этим доказательством. Поэтому в физике, и в частности в механике, как и во всех опытных науках, при сопоставлении всякой теории с опытом решающее слово принадлежит опыту.

Измерение масс

Человек вышел из мира природы. В своем повседневном опыте он выделил такие свойства вещей, как форму, цвет, размеры, тяжесть и многое????? другое. Эти свойства не зависели от его воли, пассивно присутствовали всегда и воспринимались им вполне естественно. Особым свойством предстала перед человеком инерция тел. Вероятно человек почувствовал и оценил это свойство, когда стал пользоваться предметами, как орудиями труда. Если камень можно поднять, не особо задумываясь над его тяжестью, то для броска требуется сила. Небольшой предмет легко оттолкнуть, а от большого, можно оттолкнуться. Необходимость количественной оценки инерции тел (измерения) возникла с изобретением метательных машин. От массы снаряда, выпущенного катапультой, зависела не только его разрушительная сила, но и дальность полета. ??????????....