الكتلة مقابل. الوزن: ما هو الفرق وما أهميته

قد يزعم الأشخاص الذين يراقبون أوزانهم أن المقاييس لا تكذب ، لكن ما يخبرون به الشخص هو ، على الأقل ، تسمية خاطئة. الوزن ، من الناحية الفيزيائية ، هو في الواقع أفرض: قوة الجاذبية المؤثرة على كتلة. وحدة القوة في النظام الدولي للوحدات هي نيوتن (N). الكتلة ، من ناحية أخرى ، هي مقياس لكمية المادة في الجسم. وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام (كجم).

لذا فإن ما يجب أن يعرضه الميزان حقًا للشخص الذي يبحث عن وزنه هو قيمة فيهنيوتن. لطلاب الفيزياء المميزين الذين يريدون تقريب هذا بأنفسهم ؛ ومع ذلك ، فإن الأعمال التالية تعمل: فقط اضرب الكيلوجرامات التي يعطيها المقياس في 10 (أو الجنيه في 4.5).

باختصار ، الفرق الرئيسي بين الكتلة والوزن هو أن الكتلة هي aالملكية الأساسيةمن الجسم والوزن ليس كذلك. لا تتغير الكتلة بغض النظر عن مكان وجود الكائن حتى تتم إضافة المادة منه أو طرحها منه. يبلغ وزن الفيل 2300 كجم 2300 كجم على كوكب الأرض والقمر وفي وسط الفضاء.

من ناحية أخرى ، يعتمد الوزن على الموقع لأن قوة الجاذبية المؤثرة على الكتلة تختلف في مواقع مختلفة. يمتلك الفيل الذي يبلغ وزنه 2300 كجم أ

هناك تمييز مهم آخر بين الكتلة والوزن يتبع من تعريفاتهم وهو أن الكتلة هي aالعدديةالقيمة ، حيث لا يوجد اتجاه مرتبط بقيمة بالكيلوجرام ، بينما الوزن قوةالمتجه.يتم توجيه وزن الجسم دائمًا بنفس الطريقة التي تسحب بها الجاذبية.

الكتلة من الناحية الفنية هي مقياس كمي لقصور الجسم أو مقاومته للحركة. كلما زاد حجم الجسم ، قل تأثره بالقوى المؤثرة عليه.

مثل أي قوة ، يمكن حساب الوزن باستخدام معادلة قوة الجاذبية:

أينزهل التسارع الناتج عن الجاذبية بالقرب من سطح الأرض:ز =9.8 م / ث². يسقط أي جسم يسقط في أي مكان على الكوكب باتجاه مركز الأرض بمعدل متزايد: 9.8 م / ث أسرع كل ثانية من الثانية السابقة.

تشرح هذه الصيغة سبب ضرب الكتلة بالكيلوجرام في 10 (أو باوند في 4.5 لحساب أول تحويل إلى وحدة النظام الدولي للوحدات بالكيلوغرام) يعطي تقديرًا سريعًا للوزن "الحقيقي" للشخص.

في مكان آخر من الكون ، قيمةزيختلف ، لأن التسارع بسبب الجاذبية هو نتيجة مجال الجاذبية المحلية لجسم كبير. على كوكب عطارد الصغير ، على سبيل المثال ،ز3.7 م / ث فقط². لأن هذا فقط حوالي 38 بالمائة منزعلى الأرض ، يزن أي شيء على عطارد حوالي 38 بالمائة فقط مما يفعله على الأرض.

كتعريف دقيق ، لا يتغير وزن الجسم في نفس مجال الجاذبية. سواء كان الشخص يصعد أو ينزل في المصعد ، نفس الشيءزتتسارع نفس الشيءم، وبالتاليF_جرافأو الوزن سيكون هو نفسه.

في الواقع ، هناك اختلافات صغيرة في قيمةزفي مواقع مختلفة حول جسم كبير ، مثل القطب الشمالي مقابل خط الاستواء على الأرض ، أو في الداخل مقابل سطح الشمس. لكن تقريب قيمة ثابتة لكل مكان في مجال الجاذبية عادة ما يكون كافياً لطلاب الفيزياء.

ومع ذلك ، ربما لاحظ راكبو المصعد الملاحظون ذلك في بعض الأحيانشعورأثقل أو أخف من المعتاد في نقاط مختلفة من الرحلة. همواضح​ ​الأوزانيتغيرون لأن أجسامهم تعاني من القصور الذاتي ، أو أنهم يقاومون التغييرات في حركتهم.

عندما يبدأ المصعد في الارتفاع ، تظل أجسامهم ثابتة وتقاوم الحركة الصعودية ، مما يجعلها تشعر بالثقل للحظة حتى تتكيف مع الحركة. العكس صحيح للحظة عندما يبدأ المصعد في الهبوط. ومع ذلك ، لم يفعل ذلك الشخص في أي وقتالوزن الفعلييتغيرون.

ماذا عن قراءة الميزان لنفس الأشخاص الذين يصعدون وينزلون المصعد؟ هنا مرة أخرى ، قد يبدو المقياس كاذبًا ، لكن هذه المرة ليس ببساطة مع تسمية خاطئة.

المقياس يعمل عن طريق قياسصافي القوةيعمل على ذلك. عندما لا يزال على أرضية الحمام ، تكون القوة الكلية للميزان ناتجة عن قوة الجاذبية التي تسحب الجسم الواقف على الميزان إلى أسفل. لكن فيالمصعد المتسارععندما يبدأ المصعد في التسارع أو التباطؤ ، فإن التسارع الكلي للكتلة على المقياس ليس فقط منزولكن أيضًا من حركة المصعد.

إذا كان المصعد يتسارع صعودًا في الاتجاه المعاكس لـز، سيكون صافي التسارع أصغر قليلاً منز، مما أدى إلى قوة صافية أصغر قليلاً (منذ ذلك الحينF_صافي = أماهوبافتراض أن تسارع المصعد أصغر من حيث الحجمز). سيعرض المقياس بالتالي أرقم أصغرمما كانت عليه عندما كانت لا تزال. على العكس من ذلك ، عند التسارع إلى أسفل ، هناكتسارع إضافيفي اتجاهزمما يؤدي إلى قوة صافية أكبر على المقياس ، وسيعرض أعدد أكبر​.

لاحظ أن هذا هوصحيح فقط عندما يكون المصعد يتسارع. عند سرعة ثابتة لأعلى أو لأسفل (وهو ما قد يأمله معظم الركاب!) ، فإن صافي التسارع وبالتالي صافي القوة لا يختلف عن المقياس الذي لا يتحرك على أرضية الحمام.

هناك طريقة أخرى سهلة "لفقدان الوزن" على الفور وهي وضع الميزان على منحدر وليس مسطحًا على الأرض. رسم مخطط الجسم الحر للقوى على المقياس ، وفهم كيفية عمل المقياس ، يكشف عن سبب صحة ذلك.

مرة أخرى ، يعمل المقياس عن طريق تسجيل قوة الجاذبية المؤثرة عليه لأسفل في المقياس. يتم توجيه قوة الجاذبية دائمًا نحو مركز الأرض. عندما يكون المقياس مسطحًا على أرضية الحمام ، يكون هذا لأسفل مباشرة عند 90 درجة.

عندما يميل المقياس ، على سبيل المثال عند الجلوس على منحدر عند 20 درجة ، تكون قوة الجاذبيةلم تعد متعامدة مع المقياس. يكشف حل قوة الجاذبية في مكوناتها عن ذلكالمكون العمودي ،الذي يذهب مباشرة إلى المقياس وبالتالي يكون بمثابة مصدر قراءة المقياس ، هوأصغر من إجمالي قوة الجاذبية. وهكذا ، يعرض المقياس أرقم أصغرعندما يميل مما لو كان مسطحًا على الأرض.

الكتلة والوزنغير صحيح قابلة للتبديل في الفيزياء! تعتمد العديد من المعادلات والمفاهيم على كتلة الكائن أو على كتل كائنات متعددة. الوزن مجرد مفهوم مفيد في مواقف الفيزياء النيوتونية ، مثل تحليل القوى في المواقف الموضحة هنا.