Школьное образование формирует у учащихся искаженное представление о природе. В этом нет ничего плохого. Даже нет ничего необычного. Поскольку с самого рождения у ребенка формируется искаженное представление об окружающем мире.
Родители всех детей говорят им о том, что их нашли в капусте или принес аист. Зачем? Дело в том, что ребенок еще не готов понять сложный процесс происхождения и развития жизни на Земле. Для этого ребенку необходимо сначала вырасти и получить базовые знания. Видимо считается, что капуста или аист способствуют формированию таких базовых знаний.
Затем ребенку говорят о том, что если он не будет есть кашу, то не вырастет большим. В этом утверждении можно найти некую логику, но она тоже не будет соответствовать истине. В данном случае этот обман используется для того, чтобы обеспечить ребенка питательными веществами, необходимыми для дальнейшего развития.
В школе ученикам рассказывают о том, что свет это электромагнитная волна, что все тела падают на поверхность Земли с одинаковым ускорением, что электроны это маленькие частицы, которые вращаются вокруг атомного ядра и т.п. Но при этом не говорится, что это очень упрощенные модели, которые можно использовать на бытовом уровне, но они не имеют никакого отношения к познанию тайн мироздания. Тогда зачем нужны эти знания? Дело в том, что эти знания позволяют человеку оставаться в зоне комфорта в повседневной жизни, создавая иллюзию понимания происходящих природных явлений и физических процессов. Зачастую этих знаний достаточно для получения специальных навыков и умений во многих профессиях.
К сожалению, даже люди с высшим образованием не способны критически оценивать знания, полученные в школе.
Чтобы не затягивать интригу в данной публикации, я сразу отвечу на вопрос, вынесенный в заголовок: «Почему массу тела невозможно измерить взвешиванием?»
Ответ такой: Потому что реальные физические тела нельзя рассматривать как материальные точки. А теперь поясню эту мысль в более развернутом виде.
Я надеюсь, что читатели понимают разницу между массой тела и его весом. Масса это характеристика тела, описывающая его инертные и гравитационные свойства. Вес это сила, с которой тело давит на опору или подвес.
Однако, по большому счету, масса тела никогда особенно не интересовала человека. Важен был именно вес тела. Легкий предмет или тяжелый? Легко ли его поднять? Тяжело ли его нести? Поэтому и измерялся все-таки вес. И устройство называлось именно «весы». И процесс измерения – «взвешивание». В русском языке сохранилось много устоявшихся выражений: «весомый аргумент», «веское слово», «взвешенное решение», «общественный вес», «весовая категория» и.т.д. Про массу даже мыслей не возникало. Не должно смущать, что в повседневной жизни вес измеряется в килограммах. Все понимают, что имеется в виду.
Тем не менее, в физике необходимо внимательно и аккуратно использовать термины. Вес – это характеристика процесса, масса – это характеристика объекта.
Поскольку величины веса и массы взаимозависимы, то в условиях, когда человек находится на поверхности Земли, существует несколько способов определения значения массы тела путем измерения веса этого тела. Безусловно, в пределах точности измерений можно получить практически значимую величину массы тела. Но это на бытовом уровне. А как это выглядит с точки зрения науки?
Со школы известен закон Галилея, говорящий о том, что все тела у поверхности Земли падают с одинаковым ускорением. При этом полагается, что сила тяжести не изменяется с высотой. Это очень упрощенная модель. Давайте рассмотрим реальную картину, когда сила тяжести, следовательно, и ускорение свободного падения, уменьшается с увеличением высоты над поверхностью Земли.
В публикации «Что тяжелее: 1 кг железа или 1 кг ваты?» я привел пример взвешивания двух одинаковых кирпичей на весах. При этом один из кирпичей лежит на широкой грани, а второй стоит на боковой грани.
Из приведенного рисунка видно, что центр масс левого кирпича располагается ниже центра масс правого кирпича. Следовательно, вес левого кирпича будет больше, чем вес правого кирпича. Это просто и ясно. Как же в этом случае определить массу кирпичей? Никак.
В комментариях к указанной публикации заметили, что при взвешивании нужно располагать центры масс тел на одной высоте. Это позволит уравновесить вес измеряемого тела с весом эталона и определить массу тела.
Не факт. И вот почему.
В физике для упрощения описания физических явлений зачастую тела рассматривают как материальные точки, имеющие определенную массу.
Материа́льная то́чка (материа́льная части́ца, то́чечная ма́сса) — обладающее массой тело, размерами, формой, вращением и внутренней структурой которого можно пренебречь в условиях исследуемой задачи. Является простейшей физической моделью в механике.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Материальная_точка
Понятие материальной точки используется во многих физических законах.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила гравитационного притяжения F между двумя материальными точками с массами m1и m2, разделёнными расстоянием r, действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния. F = G*m1*m2 / r^2.
Когда говорят о материальной точке, то предполагается, что она является центром масс тела.
Центр масс, центр ине́рции, барице́нтр — геометрическая точка, положение которой определяется распределением массы в теле, а перемещение характеризует движение тела или механической системы как целого.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Центр_масс
Рассмотрим силы, действующие на длинный однородный стержень, расположенный горизонтально поверхности Земли.
Ось вращения стержня проходит через его центр масс. Силы тяжести, действующие на левую и правую половины стержня равны друг другу. Давление стержня на опору определяет его вес.
Но является ли это положение равновесия устойчивым? Нет. При смещении одной из частей вниз, сила тяжести, действующая на нее, будет больше, чем действующая на другую часть сила тяжести.
По этой причине устойчивым положением равновесия будет вертикальное положение стержня. В этом случае равнодействующая сила тяжести приложена к центру тяжести тела, который расположен ниже центра масс тела.
Несложно понять, что давление на ось в этом случае увеличивается. То есть вес горизонтально расположенного стержня меньше, чем вес вертикального стержня. Под весом тела я понимаю силу, действующую на ось, проходящую через центр масс стержня.
Центр тяжести тела очень часто путают с центром масс. Это является большой ошибкой.
Центр масс – это характеристика тела, определяемая его формой и распределением массы. Центр масс тела – это фиксированная точка.
Центр тяжести тела – это точка приложения равнодействующей силы тяжести. Точка центра тяжести является характеристикой процесса притяжения тела, а не характеристикой тела. Поэтому положение центра тяжести тела может изменяться при изменении поля тяжести, при изменении положения тела. То есть центр тяжести изменяется при изменении расположения тела в поле тяжести.
Понятно, что для тела в поле тяжести центр тяжести тела расположен всегда ниже центра масс этого тела.
Возвращаясь к взвешиванию тел. В процессе взвешивания необходимо рассматривать не центры масс тел, а их центры тяжести. И этот момент является ответом на вопрос, почему расположение центров масс тел на одной горизонтальной линии не дает возможности определения массы тела.
А теперь более принципиальный вопрос для пытливых читателей.
При определении силы тяжести между двумя телами, эти тела заменяют на материальные точки (см. закон всемирного тяготения Ньютона). Чему должны соответствовать эти точки – центрам масс тел или их центрам тяжести?
Из данной публикации должно быть понятно, что необходимо использовать именно центры тяжести. А если в формулу для определения силы подставлять расстояние между центрами масс (как это обычно делается), которые не совпадают с центрами тяжести? В этом случае получатся другие значения, отличающиеся от реальных. Что же по этому вопросу говорится в школьном учебнике физики? Ничего! На эти нюансы никто не обращает внимания.
Поэтому информация из школьных учебников для меня не имеет никакого значения.