Mass vs. Kaal: mis vahe ja miks see oluline on

Kaalu jälgivad inimesed võivad küll väita, et kaalud ei valeta, kuid see, mida nad inimesele ütlevad, on vähemalt vale nimi. Kaal on füüsika mõistes tegelikult ajõud: Massile mõjuv raskusjõud. SI jõuühik on Newtons (N). Mass on seevastu objekti koguse mõõt. SI massiühik on kilogramm (kg).

Nii et väärtus, mida skaala peaks tegelikult kaalu otsivale inimesele kuvama, on väärtusNewtonid. Nõudlikele füüsikaõpilastele, kes soovivad seda ise lähendada; toimivad aga järgmised: Korruta skaala antud kilogrammid 10-ga (või naelad 4,5-ga).

Lühidalt öeldes on peamine erinevus massi ja kaalu vahel selles, et mass on apõhivaraobjekti kaal ja kaal ei ole. Mass ei muutu objekti asukohast sõltumata enne, kui aine sellesse lisatakse või lahutatakse. 2300 kg elevant on 2300 kg planeedil Maa, Kuu ja kosmose keskel.

Kaal seevastu sõltub asukohast, kuna massile mõjuv gravitatsioonijõud on erinevates kohtades erinev. 2300 kg kaaluval elevandil on akaalumbes 23 000 N Maa pinnal, kuid ainult umbes kuuendik sellest kaalust Kuul ja kui elevant paigutati sügavasse ruumi, kaugel ühegi gravitatsioonivälja mõjust, sellel ei oleks kaalu üleüldse.

Teine oluline erinevus massi ja kaalu vahel, mis tuleneb nende definitsioonidest, on see, et mass on askalaarneväärtus, kuna väärtusega kilogrammides pole seotud suunda, samas kui kaal on jõudvektor.Eseme kaal on alati suunatud samamoodi nagu gravitatsioon seda tõmbab.

Mass on tehniliselt objekti inertsuse või liikumiskindluse kvantitatiivne mõõt. Mida massiivsem on objekt, seda vähem mõjutavad seda sellele mõjuvad jõud.

Nagu iga jõu, saab kaalu arvutada gravitatsioonijõu võrrandi abil:

Kusgon gravitatsioonist tingitud kiirendus Maa pinna lähedal:g =9,8 m / s². Iga objekt, mis on kukkunud ükskõik kuhu planeedile, langeb Maa keskpunkti poole üha kiiremini: 9,8 m / s sekundis kiiremini kui eelmine sekund.

See valem selgitab, miks massi kilogrammides korrutamine 10-ga (või naelades 4,5-ga, arvestamaks esimest ümberarvestamist SI-ühikuteks kg) annab inimese "tegeliku" kaalu kiireks lähenduseks.

Mujal universumis ongon erinev, kuna gravitatsioonist tulenev kiirendus on suure keha kohaliku gravitatsioonivälja tulemus. Näiteks väikesel elavhõbeda planeedilgon ainult 3,7 m / s². Sest see on ainult umbes 38 protsentigMaal kaalub kõik elavhõbedal olev vaid umbes 38 protsenti sellest, mida ta Maal teeb.

Range definitsioonina ei muutu objekti kaal samas gravitatsiooniväljas. Ükskõik, kas inimene läheb liftiga üles või alla, samagkiirendab samam, niiF_gravvõi kaal on sama.

Tegelikkuses on väärtuse erinevused väikesedgerinevates kohtades suure keha ümber, näiteks põhjapoolusel versus Maa ekvaator või sisemuses versus Päikese pinnal. Kuid füüsikaüliõpilastele piisab tavaliselt gravitatsioonivälja konstantse väärtuse lähendamisest kõikjal.

See tähendab, et tähelepanelikud liftiratturid võisid neid mõnikord märgatatundatavalisest raskem või kergem sõidu erinevates punktides. Nende omanäiline​ ​kaaludmuutuvad, kuna nende kehal on inertsus või nad seisavad vastu oma liikumise muutustele.

Kui lift hakkab tõusma, on nende keha liikumatu ja vastupanu ülespoole liikumisele, mis muudab nad hetkeks raskemaks, kuni nad liikumisega kohanevad. Tagurpidi kehtib hetkeks, kui lift hakkab laskuma. Kuid inimene ei teinud seda ühelgi hetkeltegelik kaalmuutus.

Aga skaala lugemine samadele inimestele, kes lähevad liftist üles ja alla? Ka siin võib skaala näida valetavat, kuid seekord mitte lihtsalt vale nimetusega.

Skaala töötab mõõtesnetojõudselle järgi toimides. Kui see on endiselt vannitoa põrandal, tuleneb kogu skaalal olev netojõud raskusjõust, mis tõmbab skaalal seisvat keha allapoole. Agakiirendav lift,kui lift hakkab kiirendama või aeglustama, ei ole massi kogu kiirendus skaalal ainult alatesgaga ka lifti liikumisest.

Kui lift kiirendab ülespoole vastassuunasg, on netokiirendus veidi väiksem kuig, mille tulemuseks on veidi väiksem netojõud (alatesF_võrk = maja eeldades, et lifti kiirendus on väiksem kuig). Seetõttu kuvatakse skaalal aväiksem arvkui siis, kui see veel on. Seevastu allapoole kiirendades ontäiendav kiirendussuunasg,mille tulemuseks on skaalal suurem netojõud ja sellel kuvatakse asuurem arv​.

Pange tähele, et see on niitõsi ainult siis, kui lift kiirendab. Püsiva kiirusega üles või alla (mida enamik reisijaid võiks loota!) Ei erine netokiirendus ja seega ka netojõud skaalast, mis vannitoa põrandal ei liigu.

Teine lihtne viis koheseks "kaalu langetamiseks" on pigem kaalu asetamine kallakule kui tasane põrandale. Joonistades skaalal olevate jõudude vaba keha skeemi ja mõistes skaala toimimist, selgub, miks see on tõsi.

Jällegi toimib skaala, registreerides sellele allapoole mõjuva raskusjõu skaalasse. Raskusjõud on alati suunatud Maa keskosa poole. Kui kaal on vannitoa põrandal tasane, on see 90 kraadi all otse allapoole.

Kui skaala on siiski kallutatud, näiteks istudes kaldteel 20 kraadi juures, on raskusjõudpole enam skaalaga risti. Raskusjõu lahendamine komponentideks näitab sedaristi asetsev komponent,see, mis läheb otse skaalasse ja on seega skaala lugemise allikas, onväiksem kui kogu raskusjõud. Seega kuvatakse skaalal aväiksem arvkui kaldus kui põrandal tasane.

Mass ja kaalei ole füüsikas vahetatavad! Paljud võrrandid ja mõisted sõltuvad objekti massist või mitme objekti massist. Kaal on ainult Newtoni füüsikaolukordades kasulik mõiste, nagu siin kirjeldatud olukordades jõudude analüüsimine.