Μάζα εναντίον Βάρος: Ποια είναι η διαφορά και γιατί έχει σημασία

Οι άνθρωποι που παρακολουθούν το βάρος τους μπορεί να ισχυριστούν ότι οι κλίμακες δεν λένε ψέματα, αλλά αυτό που λένε σε ένα άτομο είναι, τουλάχιστον, ένα ψευδές όνομα. Το βάρος, από φυσική άποψη, είναι στην πραγματικότητα έναδύναμη: Η δύναμη της βαρύτητας που δρα σε μια μάζα. Η μονάδα δύναμης SI είναι Newtons (N). Η μάζα, από την άλλη πλευρά, είναι ένα μέτρο της ποσότητας της ύλης σε ένα αντικείμενο. Η μονάδα μάζας SI είναι το χιλιόγραμμο (kg).

Λοιπόν, αυτό που πρέπει πραγματικά να δείχνει η κλίμακα σε ένα άτομο που αναζητά το βάρος του είναι μια αξίαΝιούτον. Για τους απαιτητικούς φοιτητές φυσικής που θέλουν να το προσεγγίσουν οι ίδιοι. Ωστόσο, τα ακόλουθα έργα: Απλά πολλαπλασιάστε τα κιλά που δίνει η κλίμακα με 10 (ή τις λίβρες με 4,5).

Με λίγα λόγια, η κύρια διαφορά μεταξύ μάζας και βάρους είναι ότι η μάζα είναι αθεμελιώδης ιδιοκτησίαενός αντικειμένου και το βάρος δεν είναι. Η μάζα δεν αλλάζει ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται ένα αντικείμενο μέχρι να προστεθεί ή να αφαιρεθεί η ύλη από αυτό. Ένας ελέφαντας 2.300 κιλών είναι 2.300 κιλά στον πλανήτη Γη, το φεγγάρι και στη μέση του διαστήματος.

Το βάρος, από την άλλη πλευρά, εξαρτάται από τη θέση αφού η βαρυτική δύναμη που δρα στη μάζα είναι διαφορετική σε διαφορετικές θέσεις. Ένας ελέφαντας 2.300 kg έχειβάροςπερίπου 23.000 Β στην επιφάνεια της Γης, αλλά μόνο περίπου το ένα έκτο του βάρους στο φεγγάρι και, εάν το ο ελέφαντας εναποτέθηκε σε βαθύ διάστημα, μακριά από την επίδραση οποιουδήποτε βαρυτικού πεδίου, δεν θα είχε βάρος καθόλου.

Μια άλλη σημαντική διάκριση μεταξύ μάζας και βάρους που προκύπτει από τους ορισμούς τους είναι ότι η μάζα είναι αβαθμωτό μέγεθοςτιμή, καθώς δεν υπάρχει κατεύθυνση που να σχετίζεται με μια τιμή σε χιλιόγραμμα, ενώ το βάρος είναι μια δύναμηδιάνυσμα.Το βάρος ενός αντικειμένου κατευθύνεται πάντα με τον ίδιο τρόπο όπως το τραβάει η βαρύτητα.

Η μάζα τεχνικά είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αδράνειας ενός αντικειμένου ή της αντίστασης του στην κίνηση. Όσο πιο μαζικό είναι ένα αντικείμενο, τόσο λιγότερο επηρεάζεται από τις δυνάμεις που δρουν σε αυτό.

Όπως κάθε δύναμη, το βάρος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση βαρυτικής δύναμης:

Οπουσολείναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας κοντά στην επιφάνεια της Γης:g =9,8 m / s². Κάθε αντικείμενο που πέφτει οπουδήποτε στον πλανήτη πέφτει προς το κέντρο της Γης με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό: 9,8 m / s γρηγορότερα κάθε δευτερόλεπτο από το προηγούμενο δευτερόλεπτο.

Αυτός ο τύπος εξηγεί γιατί ο πολλαπλασιασμός της μάζας σε kg κατά 10 (ή σε λίβρες κατά 4,5, για να ληφθεί υπόψη η πρώτη μετατροπή στη μονάδα SI kg) δίνει μια γρήγορη προσέγγιση του "πραγματικού" βάρους ενός ατόμου.

Αλλού στο σύμπαν, η αξία τουσολείναι διαφορετική, καθώς η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας είναι αποτέλεσμα τοπικού βαρυτικού πεδίου ενός μεγάλου σώματος. Στον μικροσκοπικό πλανήτη Ερμής, για παράδειγμα,σολείναι μόνο 3,7 m / s². Επειδή αυτό είναι περίπου το 38%σολστη Γη, οτιδήποτε στον Ερμή ζυγίζει περίπου το 38 τοις εκατό του τι κάνει στη Γη.

Ως αυστηρός ορισμός, το βάρος ενός αντικειμένου στο ίδιο βαρυτικό πεδίο δεν αλλάζει. Είτε ένα άτομο ανεβαίνει ή κατεβαίνει σε ασανσέρ, το ίδιοσολεπιταχύνει το ίδιοΜ, Έτσιφά_Γκραβ, ή το βάρος, θα είναι το ίδιο.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν μικρές διαφορές στην αξία τουσολσε διαφορετικές τοποθεσίες γύρω από ένα μεγάλο σώμα, όπως στον Βόρειο Πόλο έναντι του Ισημερινού στη Γη, ή στο εσωτερικό έναντι της επιφάνειας του Ήλιου. Αλλά η προσέγγιση μιας σταθερής τιμής για παντού σε ένα βαρυτικό πεδίο είναι συνήθως αρκετή για τους μαθητές φυσικής.

Τούτου λεχθέντος, παρατηρητές αναβατών ανελκυστήρα μπορεί να έχουν παρατηρήσει μερικές φορέςαφήβαρύτερο ή ελαφρύτερο από το κανονικό σε διαφορετικά σημεία της διαδρομής. Δικα τουςεμφανής​ ​βάρηαλλάζουν επειδή το σώμα τους έχει αδράνεια ή αντέχουν σε αλλαγές στην κίνησή τους.

Όταν ένας ανελκυστήρας αρχίζει να ανεβαίνει, το σώμα τους είναι ακίνητο και αντιστέκεται στην ανοδική κίνηση, κάνοντάς τα να αισθάνονται βαρύτερα για μια στιγμή μέχρι να προσαρμοστούν στην κίνηση. Το αντίστροφο ισχύει για μια στιγμή που ο ανελκυστήρας αρχίζει να κατεβαίνει. Ωστόσο, σε καμία περίπτωση δεν έκανε το άτομοπραγματικό βάροςαλλαγή.

Τι γίνεται με την ανάγνωση της κλίμακας για τα ίδια άτομα που ανεβαίνουν και κατεβαίνουν στο ασανσέρ; Εδώ και πάλι, η κλίμακα μπορεί να φαίνεται ψέμα, αλλά αυτή τη φορά όχι απλά με παρανόηση.

Η κλίμακα λειτουργεί μετρώντας τοκαθαρή δύναμηενεργώντας σε αυτό. Όταν είναι ακόμα στο πάτωμα του μπάνιου, ολόκληρη η καθαρή δύναμη στην κλίμακα είναι από τη δύναμη της βαρύτητας τραβώντας το σώμα που στέκεται στη ζυγαριά προς τα κάτω. Αλλά σε έναεπιταχυνόμενο ασανσέρ,όταν ο ανελκυστήρας αρχίζει να επιταχύνεται ή να επιβραδύνεται, η συνολική επιτάχυνση της μάζας στην κλίμακα δεν είναι μόνο απόσολαλλά και από την κίνηση του ασανσέρ.

Εάν ο ανελκυστήρας επιταχύνεται προς τα πάνω προς την αντίθετη κατεύθυνσησολ, η καθαρή επιτάχυνση θα είναι ελαφρώς μικρότερη απόσολ, με αποτέλεσμα μια ελαφρώς μικρότερη καθαρή δύναμη (από τότεφά_καθαρά = μακαι υποθέτοντας ότι η επιτάχυνση του ανελκυστήρα είναι μικρότερη σε μέγεθος απόσολ). Η κλίμακα επομένως θα εμφανίσει έναμικρότερος αριθμόςπαρά όταν είναι ακόμα. Αντίθετα, όταν επιταχύνεται προς τα κάτω, υπάρχειεπιπλέον επιτάχυνσηστην κατεύθυνση τουσολ,με αποτέλεσμα μια μεγαλύτερη καθαρή δύναμη στην κλίμακα, και θα εμφανίσει έναμεγαλύτερος αριθμός​.

Σημειώστε ότι αυτό είναιισχύει μόνο όταν ο ανελκυστήρας επιταχύνεται. Με σταθερή ταχύτητα προς τα πάνω ή προς τα κάτω (για την οποία θα μπορούσαν να ελπίζουν οι περισσότεροι επιβάτες!), Η καθαρή επιτάχυνση και συνεπώς η καθαρή δύναμη δεν διαφέρει από την κλίμακα που δεν κινείται στο πάτωμα του μπάνιου.

Ένας άλλος εύκολος τρόπος για να "χάσετε βάρος" άμεσα είναι να βάλετε μια κλίμακα σε μια κλίση και όχι επίπεδη στο πάτωμα. Αν σχεδιάσετε ένα διάγραμμα ελεύθερου σώματος των δυνάμεων στην κλίμακα και κατανοώντας πώς λειτουργεί η κλίμακα, αποκαλύπτεται γιατί αυτό ισχύει.

Και πάλι, η κλίμακα λειτουργεί καταγράφοντας τη δύναμη της βαρύτητας που ενεργεί πάνω της προς τα κάτω στην κλίμακα. Η δύναμη της βαρύτητας κατευθύνεται πάντα προς το κέντρο της Γης. Όταν η ζυγαριά είναι επίπεδη στο πάτωμα του μπάνιου, αυτό είναι ακριβώς προς τα κάτω στους 90 βαθμούς.

Όταν η ζυγαριά είναι κεκλιμένη, για παράδειγμα σε μια ράμπα 20 μοιρών, η δύναμη της βαρύτητας είναιδεν είναι πλέον κάθετα στην κλίμακα. Η επίλυση της βαρύτητας στα συστατικά της αποκαλύπτει ότιτο κάθετο στοιχείο,αυτό που πηγαίνει κατευθείαν στην κλίμακα και ως εκ τούτου χρησιμεύει ως πηγή της ανάγνωσης της κλίμακας, είναιμικρότερη από τη συνολική δύναμη της βαρύτητας. Έτσι, η κλίμακα εμφανίζει έναμικρότερος αριθμόςόταν έχει κλίση από ό, τι όταν είναι επίπεδο στο πάτωμα.

Μάζα και βάροςδεν είναι εναλλάξιμο στη φυσική! Πολλές εξισώσεις και έννοιες εξαρτώνται από τη μάζα ενός αντικειμένου ή από τις μάζες πολλαπλών αντικειμένων. Το βάρος είναι μόνο μια χρήσιμη ιδέα σε καταστάσεις φυσικής της Νεύτωνας, όπως η ανάλυση δυνάμεων στις καταστάσεις που περιγράφονται εδώ.