Vjera Lopac
Znanstveno nazivlje u fizici

2. Fizika i svakodnevni govor: o masi, težini i energiji

Kao i sve struke i znanosti kojima se ljudi bave, i fizika ima svoj jezik, svoje nazive i svoj poseban način izražavanja. S nekima se od tih naziva susrećemo već u osnovnoj školi, a kako vrijeme teče, tako upoznajemo sve više pojmova i sve više novih riječi kojima se mogu opisati ta nova znanja. Iako bi nam se na prvi pogled moglo učiniti da se s razvojem novih područja fizike automatski stvara i novi jezik koji prati taj razvoj, to nije uvijek tako. Naprotiv, strukovnim i znanstvenim nazivljem bavi se živa i dinamična disciplina, istodobno bliska i mjeriteljstvu i jezikoslovlju, koju možemo smatrati zasebnom granom fizike. O njoj se, nažalost, premalo zna, čak i među stručnjacima, te ona još uvijek obiluje mnogim nesporazumima i neriješenim pitanjima.

Pritom u prvom redu mislimo na hrvatsko znanstveno nazivlje, ali mnogi problemi imaju svoj korijen u stranim jezicima i prevoditeljskim nedoumicama. I dok se o golemoj većini činjenica, zakona i tumačenja fizikalnih pojava fizičari u potpunosti međusobno slažu, mnogo je toga nedorečeno u načinu kako te zakone objasniti riječima tako da budu ne samo točni i usklađeni s prihvaćenim normama i mjeriteljskim propisima, nego i iskazani jasnim i lijepim jezikom.

Fizika je u svojem stručnom jeziku preuzela mnoge riječi iz svakodnevnog govora. No kada riječ postane znanstveni naziv, ona poprima mnogo određeniji i precizniji smisao. Dok u fizici riječi kao što su masa, težina, rad, energija, toplina, temperatura, snaga, sila, tlak, pritisak ili polje imaju točno određeno značenje, u običnom se govoru često zamjenjuje masa s težinom, ne razlikuju se temperatura i toplina, a riječi sila, snaga i energija poprimaju nejasno ili pogrešno značenje. Valja imati na umu da je pravilan izbor nekog znanstvenog naziva moguć samo uz precizno definiranje fizikalne veličine ili pojave o kojoj je riječ. Pokazat ćemo to na primjeru nekih naizgled jednostavnih pojmova, često prisutnih u svakodnevnom životu.

Masa i težina

Masa (engleski: mass) je jedna od sedam osnovnih veličina u Međunarodnom sustavu SI, a njezina je jedinica kilogram (kg). Masa m iskazuje tromost (inerciju, ustrajnost) kojom se tijelo odupire promjeni gibanja te se naziva i troma masa. Prema drugom Newtonovu zakonu, akceleracija koju tijelo dobiva kad na njega djeluje sila obrnuto je razmjerna njegovoj tromoj masi: a = F/m. Masa je i veličina koja određuje gravitacijsku silu na tijelo u gravitacijskom polju te se u tom slučaju naziva teška masa. Svi dosadašnji pokusi potvrđuju da su teška i troma masa egzaktno jednake. Mase elektrona, protona, neutrona i ostalih subatomskih čestica konstantne su i karakteristične veličine, a nekim je česticama (primjerice fotonu, kvantu svjetlosti) masa jednaka nuli.

Prema specijalnoj teoriji relativnosti, u svakom tijelu mase m spremljena je energija mirovanja E₀ = mc², koja dolazi do izražaja samo pri promjeni strukture, primjerice pri raspadu tijela na manje dijelove. Oslobađanje dijela te energije ΔE praćeno je promjenom ukupne mase sustava: opaženi defekt mase Δm = ΔE/c² znatan je kada je riječ o raspadu atomske jezgre (nuklearnoj fisiji), dok je malen ili zanemariv u slučaju kemijskih i toplinskih procesa. Nekad je bilo popularno govoriti o promjenljivoj, “relativističkoj masi”, koja se povećava kad se brzina v čestice približava brzini svjetlosti c. No tu zapravo nije riječ o masi, već o ukupnoj energiji relativističke čestice, podijeljenoj kvadratom brzine svjetlosti: E/c²= m (1 ‑ v²/c²)^‑1/2.

Jedinica za masu, kilogram, jedina je od sedam osnovnih jedinica Međunarodnoga sustava SI iskazana kao višekratnik, izveden od jedinice gram i predmetka kilo u značenju 1 kg = 10³ g. Manje jedinice izražavaju se dodatkom predmetka jedinici gram, primjerice miligram je milijunti dio kilograma: 1 mg = 10^-6 kg. Kilogram je, također, jedina preostala osnovna mjerna jedinica koja se temelji na stvarnom prauzorku (etalonu, pramjeri). Načinjen je od 90 % platine i 10 % iridija, ima oblik valjka visine i promjera 39 mm, a smješten je u Međunarodnom uredu za utege i mjere u Sèvresu kraj Pariza. Prvobitna definicija kilograma potječe iz 18. stoljeća i utemeljena je na masi jednoga kubnoga decimetra (jedne litre) vode.

Težina (engleski: weight) se definira kao sila G = mg , jednaka umnošku mase m tijela i izmjerene lokalne akceleracije slobodnoga pada g. Za tijelo uz Zemljinu površinu i gibanje u sustavu vezanom za Zemlju, akceleracija g obuhvaća, uz gravitacijsku akceleraciju, i nevelik doprinos centrifugalne sile (manji od 0,04%) prouzročen rotacijom Zemlje oko vlastite osi. Za malo tijelo uz površinu Zemlje hvatište vektora težine je u težištu tijela, a vektor težine usmjeren je približno prema središtu Zemlje. Navedena je definicija u skladu s međunarodnom normom ISO 80000-4, uvedenom 2006., i izjednačava pojam težine na površini Zemlje s uobičajenim pojmom sile teže. No treba reći da se u udžbenicima i drugoj literaturi mogu naći različite definicije težine. Neki autori pod pojmom težine podrazumijevaju samo gravitacijsku, ali ne i inercijsku centrifugalnu silu, a drugi težinom zovu silu kojom tijelo u vakuumu pritišće na podlogu ili napinje nit na koju je ovješeno. Važno je naglasiti da niti jedna od tih definicija ne uzima u obzir silu uzgona u zraku ili fluidu.

Težina je, dakle, sila i mjeri se jedinicom njutn (N). No u svakodnevnom se govoru pod izrazom težina često misli na masu, koja se iskazuje jedinicom kilogram (kg). Govoriti o težini kada je riječ o masi gruba je zabuna. Kada bi veličina g bila na svim mjestima jednaka, onda bi bila riječ samo o proporcionalnosti dviju veličina. Međutim, akceleracija g sile teže primjetno se mijenja od točke na točke na Zemlji. Uzroci tome su spljoštenost Zemlje, različite vrijednosti centrifugalne korekcije ovisne o geografskoj širini, ali i nejednolikost Zemljine gustoće na raznim mjestima uz površinu ili u dubini Zemlje. Još su raznolikije vrijednosti akceleracija sile teže na površini ostalih planeta, Sunca, Mjeseca ili drugih nebeskih tijela. Nađe li se tijelo mase m na površini Sunca, Mjeseca ili nekoga planeta, njegova je masa i dalje ista, ali se njegova težina znatno razlikuje od one na Zemlji. Tako je težina tijela na površini Mjeseca oko 6 puta manja nego na Zemlji, dok je na površini Jupitera 2,65 puta a na površini Sunca 28 puta veća.

Gravitacijska se akceleracija i gravitacijska sila mijenjaju s visinom iznad površine planeta i opadaju s kvadratom udaljenosti tijela od njegova središta. Definicija težine iz 2006., za razliku od prethodne iz 1992. opisane normom ISO 31-3, ne spominje izrijekom utjecaj inercijskih sila na tim većim visinama, ali govori o lokalnoj akceleraciji slobodnoga pada. Poznato je da se u sustavu koji se slobodno giba pod utjecajem gravitacije (u dizalu koje slobodno pada ili u satelitu koji kruži oko Zemlje) javlja dodatna inercijska sila suprotna gravitacijskoj sili. Lokalna akceleracija slobodnoga pada u tom sustavu postaje jednaka nuli te nema pritiska na podlogu. Može se reći da je takvo tijelo u „bestežinskom stanju”, iako težina tijela na površini Zemlje prema definiciji u normi ISO 80000-4, a ni gravitacijska sila između Zemlje i tijela nisu jednake nuli.

Energija

U svakodnevnom se životu mnogo govori o energiji. Energiju upoznajemo u fizici – kinetičku energija gibanja, potencijalnu energija ovisnu o položaju tijela, energiju mirovanja u relativističkoj fizici, energiju kvantnomehaničkih sustava u stacionarnim stanjima: nju opisujemo pridjevom energijski. Energiju povezujemo i s tehničkim primjenama, elektranama, uređajima i strojevima – pridjev koji uz to vežemo je energetski. Treći način kako rabimo pojam energije je povezan s ljudskim osobinama i karakteristikama, nečijim nemirnim karakterom, snažnom voljom i upornošću: za takvu osobu kažemo da je energična.

Dok se u prva dva slučaja količine energije mogu iskazati u mjernim jedinicama, džulima, kilovatsatima ili elektronvoltima, u trećem od navedenih značenja energiju ćete rijetko moći kvantitativno odrediti. Oni koji tvrde da vas mogu izliječiti pomoću svoje energije (nazivali to bioenergijom ili ma kako drukčije), rijetko će tu svoju moć izraziti džulima. U fizici je temeljno pravilo da pojavu koju opažamo valja podvrgnuti mjerenju, da to mjerenje mora biti ponovljivo te da njegove rezultate možemo prihvatiti tek ako ih, uz jednake uvjete, i drugi istraživači mogu reproducirati. Dakle, čak i ako nam se čini jezično ispravnim nekim pojavama pripisati energiju, one postaju dio fizike tek kada ih možemo izmjeriti i kvantitativno opisati.

Pa što je onda energija?

Energija (engleski: energy) se često definira kao fizikalna veličina koja iskazuje sposobnost tijela ili sustava da obavlja rad. Energija se javlja u trima oblicima: kao kinetička energija (energija gibanja), potencijalna energija (energija koja je posljedica međudjelovanja i ovisi o položaju tijela prema drugim tijelima) te energija mirovanja, koju posjeduje svako tijelo koje ima masu. Te tri vrste energije u stvarnosti susrećemo u različitim oblicima, kao mehaničku, gravitacijsku, elastičnu, toplinsku, unutarnju, električnu, magnetsku, kemijsku, svjetlosnu, nuklearnu ili neku drugu. Energija može prelaziti iz jednoga oblika u drugi, ali vrijedi zakon očuvanja energije: ukupna energija zatvorenoga sustava ostaje konstantna. Fundamentalno objašnjenje energije krije se u poučku koji je otkrila njemačka matematičarka i teorijska fizičarka Emmy Noether (1882 - 1935). Taj poučak energiju opisuje kao konstantu gibanja proisteklu iz invarijantnosti jednadžbi gibanja s obzirom na vremenski pomak.

Povijesno gledano, razni su se oblici energije dugo vremena istraživali u odvojenim granama znanosti, a svaka se od njih služila vlastitim mjernim jedinicama. U jednoj od svojih popularnih knjiga Richard Feynman to ističe kao primjer neracionalnog ponašanja znanstvenika: “za jednu te istu veličinu, energiju, oni rabe trideset i osam različitih mjernih jedinica!” Jedna od njih je i danas već napuštena, ali još uvijek živa i neuništiva kalorija. To je jedinica za toplinu, još jedan pojam koji, zajedno s temperaturom, često susrećemo u svakodnevnim prilikama.

No o toplini i temperaturi u sljedećem nastavku.