יום רביעי, 23 באוגוסט 2017

אייזק ניוטון והגדרת מושג המסה

בפוסט הקודם הסברתי למה אני חושב שהגדרת המסה בתור כמות החומר אינה טובה. אז איך בכל זאת ניתן להגדיר את המסה? בפוסט הזה אעסוק בשתי הגדרות בסיסיות של מסה ושתיהן קשורות לעבודתו של אייזק ניוטון.

1) התמדה: מסה גורמת להתנגדות לשינוי מהירות.
תכונה זו של מסה מנוסחת היטב בחוק התנועה השני של ניוטון שלפיו כוח שווה למסה כפול תאוצה (שינוי מהירות).
אם נסמן כוח באות F, מסה באות m ותאוצה באות a, אז החוק השני ינוסח בצורה הבאה:
 
 F=ma

נוסחה זו אפשר לרשום גם בדרך הבאה: a=F/m. המשמעות היא שאם הכוח לא משתנה הגדלת המסה מקטינה את התאוצה והקטנת המסה מגדילה את התאוצה. תכונה זו של המסה ניכרת כמעט בכל ניסוי מכני. אם למשל נבדוק את התאוצה ואת התאוטה של כלי רכב נגלה שהמסה היא גורם משמעותי. משאית מאטה לאט לפני רמזור אדום ומאיצה לאט אחרי שהצבע מתחלף לירוק משום שמסתה גבוהה. לעומת זאת, בתכנון של מכוניות מרוץ מנסים להקטין ככל האפשר את המסה על מנת לאפשר תאוצה ותאוטה גבוהות במיוחד. למעשה בתחרויות מוגדרת מסה מינימלית של הרכב עם הנהג וזאת על מנת להקטין סכנות לנהגים.

2) כבידה: מסה יוצרת כוח משיכה.
כוח המשיכה שנוצר בין שני גופים שווה למכפלת המסות שלהם במספר קבוע (קבוע הכבידה) חלקי המרחק בין הגופים. כוח זהה פועל על כל אחד משני הגופים, אך כיוון הכוחות הפוך.
אם נסמן את הכוחות באותיות F1 ו-F2, מסות הגופים באותיות m1 ו-m2, המרחק בין הגופים באות r וקבוע הכבידה באות G, אז חוק הכבידה האוניברסלי ינוסח בצורה הבאה:

כל שני עצמים נמשכים זה לזה אבל קשה למדוד את כוח המשיכה הכבידתי בין עצמים קטנים על פני כדור הארץ משום שכוחות אחרים, כולל כוח הכובד של כדור הארץ עצמו, חזקים הרבה יותר. למעשה כוח הכבידה חלש מאוד יחסית לכוחות אחרים, כמו הכוח החשמלי והמגנטי, ולראיה מגנט קטן יכול להרים סיכת ברזל ובכך להתגבר על כוח המשיכה הכבידתי של כדור הארץ כולו. הסיבה לכך שהכבידה היא גורם משמעותי ביקום הגדול נובעת מכך שטווח ההשפעה שלה אינסופי ומכך שגרמי השמים אינם טעונים במטען חשמלי באופן משמעותי ואינם מייצרים כוח אלקטרומגנטי חזק.


חוק הכבידה האוניברסלי נמדד לראשונה בשנת 1797, אחרי מותו של ניוטון (ניוטון חי בשנים 1727-1642). בניסוי זה, הקרוי ניסוי קוונדיש, נמדד כוח המשיכה בין כדורי עופרת. מאז, תכונת ההתמד של המסה ותכונת הכבידה שלה נבדקו בניסויים רבים, אך מבחינה תאורטית הן שונות מאוד זו מזו ואינן נובעות בשום דרך האחת מהשנייה. על כן ניתן להניח שהן מגדירות גדלים שונים: מסת התמד ומסה כבידתית. אולם, מקובל להניח ששתי צורות המסה האלו שוות בגודלן.

המשקל הוא כוח המשיכה שנוצר בהשפעת הכבידה. משקלו של גוף תלוי במסתו, במסת הגוף שמושך אותו ובמרחק בינו ובין מרכז הגוף המושך. הירח פחות מסיבי מכדור הארץ וחישוב פשוט מראה שמשקל של עצם על פני הירח קטן בערך פי 6 יחסית למשקלו על פני כדור הארץ. מבחינתנו חשוב כרגע להבין שמשקלו של גוף על פני כדור הארץ יחסי למסתו.

אם המסה היא m המשקל הוא F=mg כאשר g הוא מספר קבוע התלוי במסת כדור הארץ, ברדיוס כדור הארץ ובקבוע הכבידה. אם נציב כוח זה בחוק השני של ניוטון נקבל ma=mg. בצד ימין של המשוואה מופיעה המסה הכבידתית ובצד שמאל מסת ההתמד. אם המסות שוות המסקנה הבלתי נמנעת היא שכל המסות על פני כדור הארץ נופלות בתאוצה זהה - זוהי תאוצת הכובד וערכה עומד בערך על 9.8 מטר לשנייה בריבוע.
  
מסופר על גלילאו גליליי שעלה למגדל פיזה הנטוי והשליך משם עצמים בעלי מסות שונות וכולן הגיעו לקרקע בו זמנית. הסיפור איננו נכון ולו משום העובדה שהתנגדות האוויר גורמת לכך שגם אם צורת העצמים זהה הרי שהעצם המסיבי יותר יפגע בקרקע ראשון. כיום ניתן לערוך ניסוי כזה במתקן ריק מאוויר על פני כדור הארץ, למשל במגדל פולטורם בברמן שבגרמניה המיועד למטרה זו, וניתן כמובן לערוך ניסוי כזה על הירח. בהיעדר אוויר כל העצמים שמופלים מגובה זהה פוגעים בקרקע בו זמנית, ולא חשוב מה המסה שלהם.



ניסוי הפלת נוצה ופטיש במסגרת משימת אפולו 15 על פני הירח

ההנחה שמסת ההתמד ומסת הכבידה שוות נקראת עקרון השקילות - העיקרון נבדק בניסויים רבים ועד עתה נמצא תמיד נכון. אלברט איינשטיין השתמש בעקרון השקילות כבסיס שממנו הוא בנה את תורת היחסות הכללית. הוא סיפר לימים שהמחשבה השמחה בחייו הייתה ההבנה שאדם הנופל מהגג לא מרגיש את כוח הכובד בעת הנפילה. תחושת ריחוף זו, שמהווה תוצא של עקרון השקילות, מתרחשת גם בתחנת החלל ואפילו בצניחה חופשית, לפחות בשניות הראשונות לפני שהמהירות מגיעה לערכה המקסימלי בגלל התנגדות האוויר.


ההיסטוריה של מושג המסה מעניינת במיוחד ומפתיע שאייזק ניוטון עצמו הגדיר את המסה בצורה שונה. את ההבנות שלו בנושא מכניקה הוא פירט בספרו פרינקיפיה או בשמו המלא: העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע. ניוטון בחר להגדיר את המסה בתור כמות או מידה של חומר השווה למכפלת צפיפות החומר בנפחו. הגדרה זו לוקה בשני חסרונות: המושג "כמות החומר" לכשעצמו הוא רב-משמעי ואינו נושא מידע שיכול להסביר מה זו מסה ובנוסף לכך מסה היא מושג בסיסי יותר מצפיפות ולא נכון להגדיר מסה דרך צפיפות, אלא להיפך. כיום אכן מקובל להגדיר צפיפות כחלוקת מסה בנפח. במרוצת הדורות הגדרת המסה בספרו של ניוטון זכתה לביקורת.

בכל הקשור לתכונת ההתמד של המסה זכות הראשונים ניתנת ליוהאנס קפלר שהתייחס כבר ב-1621 למכפלת הצפיפות בנפח (מסה) כהתנגדות לתנועה. אייזק ניוטון ניסח את החוק השני של התנועה בצורה שונה מזו המקובלת היום ובספרו הוא לא התייחס כלל למסה בהקשר לחוק השני. ניוטון כתב שהשינוי בתנועה יחסי לכוח המופעל מבלי לפרט מהו אותו שינוי בתנועה. בספרו ניוטון מגדיר את כמות התנועה, גודל שנקרא כיום תנע, בתור מכפלת המסה במהירות. אם הוא היה מנסח את החוק השני באמצעות הביטוי "שינוי בכמות התנועה (שינוי בתנע) שווה לכוח" הוא היה מדייק לחלוטין, משום שזה הניסוח הכללי והמקובל כיום של החוק השני, אך הוא בחר לרשום רק שינוי בתנועה, ועם השנים ניסוח זה נזנח. למעשה כבר בימי חייו נכתב החוק השני בספר אחר בצורת F=ma, כלומר באופן שמגדיר בצורה טובה את תכונת ההתמד של המסה.

אייזק ניוטון והתפוח (מקור: ויקימדיה)

ניוטון הקדיש חלקים נרחבים מספרו לניסוח חוק הכבידה האוניברסלי ולמסקנות הנובעות ממנו, כמו למשל תנועת כוכבי הלכת במערכת השמש. בחלקים אלו של הספר הוא התייחס כמובן להשפעה הכבידתית של המסה כיוצרת כוח משיכה כבידתי. זו ללא ספק תרומתו הגדולה של הספר והחוק משמש במרבית חישובי הכבידה עד ימינו. אגב, הסיפור על התפוח של ניוטון נכון ברובו - תפוח שנפל לידו (ולא על ראשו!) גרם לו לתהות על כוח הכובד על פני כדור הארץ ועל ההשפעה של אותו כוח כובד על גרמי השמים. הסיפור המלא נרשם על ידי חברו של ניוטון, ויליאם סטוקלי:
אחרי הסעודה מזג האוויר נהיה חמים. הלכנו לגינה ושתינו תה מתחת לצל של כמה עצי תפוח, רק הוא ואני. בין דברים אחרים שעלו בשיחה הוא אמר לי שהוא היה בדיוק במצב כזה, מזמן, כשרעיון הכבידה עלה בראשו. "למה התפוח נופל תמיד בניצב לקרקע", הוא חשב לעצמו כשנכנס למצב מהורהר בעקבות נפילת תפוח. "למה שהוא לא ילך הצידה או למעלה? למה תמיד לכיוון מרכז כדור הארץ? הסיבה, ללא ספק, היא שכדור הארץ מושך אותו. חייב להיות כוח משיכה בחומר וסכום כוחות המשיכה בחומר שממנו עשוי כדור הארץ חייב להימצא במרכז כדור הארץ, לא בשום צד של כדור הארץ. לכן התפוח נופל בניצב לקרקע או לעבר מרכז כדור הארץ. אם חומר מושך כך חומר אז משיכת חומר חייבת להיות יחסית לכמות שלו. אם כך, התפוח מושך את כדור הארץ כמו שכדור הארץ מושך את התפוח". לכוח כזה אנו קוראים כוח הכובד והוא נפרש הרחק על פני היקום כולו. בעקבות אותה מחשבה הוא הרחיב בהדרגה את תורת הכבידה לצורך הבנת תנועת כדור הארץ וגרמי השמיים...
על אודות הגדרה נוספת של מסה שהופיעה רק עם פיתוח תורת היחסות אכתוב בפוסט הבא.

אין תגובות: