Masa (fizyka)

Masa – w fizyce jedna z najważniejszych wielkości fizycznych określająca bezwładność (masa bezwładna) i oddziaływania grawitacyjne (masa grawitacyjna) obiektów fizycznych. Potocznie rozumiana jako ilość materii i energii zgromadzonej w obiekcie fizycznym. Peter Higgs postulował istnienie pola, a bazująca na koncepcji pola, hipoteza zakłada, że masa nabywana jest przez oddziaływanie z otoczeniem i nie jest fundamentalną własnością cząstek materii.

W układzie jednostek miar SI masa wyrażana jest w kilogramach. Symbol stosowany na oznaczenie masy to: m.

W fizyce masa pojawia się wielokrotnie jako pojęcie pierwotne i dlatego bywa używana z określnikiem. W nierelatywistycznej fizyce klasycznej masa występuje jako:

w prawie grawitacji – tak określana masa jest zwana masą grawitacyjną,
w II zasadzie dynamiki Newtona – masa bezwładna.

[edytuj] Masa bezwładna

Jest miarą bezwładności ciała, to znaczy miarą zmiany prędkości ciała wywołanej działaniem na nie siły. Według drugiej zasady dynamiki zachodzi równość:

$\bold {F}= \frac {d(m\bold {v})} {dt} = \frac {dm} {dt} \cdot \bold {v} + m\cdot \frac {d\bold {v}} {dt} = \frac {dm} {dt} \cdot \bold {v} + m \cdot \bold {a}$

gdzie:

F - wektor siły działającej na ciało,
m - masa bezwładna ciała,
v - wektor prędkości ciała,
t - czas.
a - wektor przyspieszenia

W powyższym wzorze pierwszy składnik związany jest z relatywistyczną zmianą masy a drugi składnik jest klasycznym opisem dynamiki. W mechanice nierelatywistycznej (dla prędkości dużo mniejszych od prędkości światła) pierwszy składnik się zeruje (jest bardzo bliski zeru) i wzór przyjmuje postać jak w drugiej zasadzie dynamiki Newtona:

$\bold {F}= m \cdot \bold {a}$

Według zasady Macha bezwładność materii nie wynika z własności wewnętrznej materii, ale stanowi miarę jej oddziaływania z całym Wszechświatem.

[edytuj] Masa grawitacyjna

W mechanice nierelatywistycznej, wielkość opisująca oddziaływania grawitacyjne dwóch punktowych ciał występująca we wzorze na oddziaływania grawitacyjne:

$F = G \frac {m_1 m_2} {r^2}$

gdzie:

F - siła oddziaływania ciał,
G - stała grawitacji,
m₁, m₂ - masy oddziałujących ciał,
r - odległości ciał.

[edytuj] Własności

W fizyce relatywistycznej pojęcie masy zależy od teorii, różne podejścia do masy przedstawiają szczególna teoria względności i ogólna teoria względności.

Jednym z postulatów ogólnej teorii względności jest zasada równoważności mówiąca że nie można rozróżnić spadku swobodnego od ruchu jednostajnego, z postulatu tego wynika, że te dwa rodzaje masy (bezwładna i grawitacyjna) są sobie równoważne.

Prawo zachowania masy, które odegrało bardzo ważną rolę w chemii, mówiło że jeżeli układ nie wymienia materii z otoczeniem, to masa materii uczestniczącej w dowolnym procesie fizycznym lub chemicznym pozostaje stała. Jednak zgodnie z koncepcją równoważności masy i energii przedstawioną przez Alberta Einsteina masa może być postrzegana jako forma energii. Ta zależność staje się bardzo widoczna w reakcjach jądrowych. Dlatego też założenie pierwotne o stałości masy musiało być rozszerzone na wszystkie rodzaje energii.

W szczególnej teorii względności masa jest wielkością skalarną i traktowana jest niezmienniczo, gdyż autor teorii posługiwał się konsekwentnie pojęciem masy spoczynkowej. Słuszny jest w niej związek pomiędzy energią, pędem i masą ciała:

${E^2 \over c^2} = m^2 c^2 + p^2$

Czasem spotyka się też pojęcie "masy relatywistycznej",

$m_{r}=\frac{m}{\sqrt{1-\frac {v^2}{c^2}}}$

Wykres zależności "masy relatywistycznej" od prędkości (wyrażonej jako część prędkości światła c).

Masa relatywistyczna rośnie wraz z prędkością poruszającego się obiektu (aż do nieskończoności przy zbliżaniu się prędkości do prędkości światła).

Wprowadzenie pojęcia "masy relatywistycznej" to zabieg dostosowujący wzory fizyczne z mechaniki klasycznej do Szczególnej Teorii Względności. Na przykład dzięki użyciu pojęcia masy relatywistycznej w miejsce spoczynkowej, równanie pędu newtonowskiego $p=m_{r} \cdot v$ staje się prawdziwe dla każdego przypadku prędkości, z jaką porusza się ciało, a nie tylko prędkości małych w porównaniu z prędkością światła.