Масса vs. Вес: в чем разница и почему это важно

Люди, наблюдающие за своим весом, могут утверждать, что весы не лгут, но то, что они говорят человеку, как минимум неверно. Вес, с точки зрения физики, на самом делесила: Сила тяжести, действующая на массу. Единица силы в системе СИ - ньютоны (Н). С другой стороны, масса - это мера количества вещества в объекте. Единица измерения массы в системе СИ - килограмм (кг).

Итак, то, что весы действительно должны отображать человеку, ищущему свой вес, - это значение вНьютонов. Для взыскательных студентов-физиков, которые хотят приблизиться к этому сами; однако работает следующее: просто умножьте килограммы на 10 (или фунты на 4,5).

Короче говоря, основное различие между массой и весом состоит в том, что масса - этофундаментальное свойствообъекта и вес нет. Масса не меняется независимо от того, где находится объект, до тех пор, пока материя не будет добавлена ​​или вычтена из него. Слон весом 2300 кг - это 2300 кг на планете Земля, на Луне и в центре космоса.

Вес, с другой стороны, действительно зависит от местоположения, поскольку гравитационная сила, действующая на массу, различна в разных местах. У слона весом 2300 кг есть

Еще одно важное различие между массой и весом, которое следует из их определений, заключается в том, что масса - этоскалярзначение, так как нет направления, связанного со значением в килограммах, а вес - это силавектор.Вес объекта всегда направлен так же, как сила тяжести.

Технически масса - это количественная мера инерции объекта или его сопротивления движению. Чем массивнее объект, тем меньше на него действуют силы.

Как и любую силу, вес можно рассчитать с помощью уравнения силы тяжести:

Гдеграмм- ускорение свободного падения у поверхности Земли:g =9,8 м / с². Любой объект, упавший где-нибудь на планете, падает к центру Земли с постоянно увеличивающейся скоростью: каждую секунду на 9,8 м / с быстрее, чем в предыдущую секунду.

Эта формула объясняет, почему умножение массы в кг на 10 (или в фунтах на 4,5, чтобы учесть первое преобразование в единицу измерения кг в системе СИ) дает быстрое приближение к «реальному» весу человека.

В другом месте Вселенной ценностьграммДругое дело, поскольку ускорение свободного падения является результатом местного гравитационного поля большого тела. Например, на крошечной планете Меркурийграммвсего 3,7 м / с². Потому что это всего около 38 процентовграммна Земле что-либо на Меркурии весит лишь около 38 процентов от того, что оно делает на Земле.

Согласно строгому определению, вес объекта в одном и том же гравитационном поле не меняется. Идет ли человек вверх или вниз в лифте, одинаковограммускоряется то же самоем, такF_{гравитация}, или вес, будет таким же.

На самом деле есть небольшие различия в стоимостиграммв разных местах вокруг большого тела, например, на Северном полюсе по сравнению с экватором на Земле или внутри по сравнению с поверхностью Солнца. Но для студентов-физиков обычно достаточно приближения к постоянному значению для везде в гравитационном поле.

Тем не менее, наблюдательные водители лифтов могли заметить, что они иногдаЧувствоватьтяжелее или легче обычного в разные моменты езды. Ихочевидный​ ​весаизменяются, потому что их тела инерционны, или они сопротивляются изменениям своего движения.

Когда лифт начинает подниматься, их тела неподвижны и сопротивляются восходящему движению, что на мгновение заставляет их чувствовать себя тяжелее, пока они не привыкнут к движению. Обратное верно в тот момент, когда лифт начинает спускаться. Однако ни в коем случае нефактический весменять.

А как насчет считывания шкалы для одних и тех же людей, поднимающихся и спускающихся по лифту? Здесь снова может показаться, что шкала лжет, но на этот раз не просто из-за неправильного названия.

Весы работают, измеряяравнодействующая силадействуя по нему. Когда он все еще находится на полу в ванной, вся чистая сила на весах возникает из-за силы тяжести, тянущей тело, стоящее на весах, вниз. Но наускоряющий лифт,когда лифт начинает ускоряться или замедляться, общее ускорение массы на шкале происходит не только отграммно также от движения лифта.

Если лифт ускоряется вверх в направлении, противоположномграмм, чистое ускорение будет немного меньше, чемграмм, что приводит к немного меньшей чистой силе (посколькуF_сеть = маи предполагая, что ускорение лифта меньше по величине, чемграмм). Таким образом, шкала будет отображатьменьшее числочем когда он еще. И наоборот, при ускорении вниз происходитдополнительное ускорениев направленииграмм,что приведет к увеличению чистой силы на шкале, и на ней будет отображатьсябольшее число​.

Обратите внимание, что этотолько верно, когда лифт ускоряется. При постоянной скорости вверх или вниз (на которую может надеяться большинство пассажиров!) Чистое ускорение и, следовательно, чистая сила не отличаются от шкалы, которая не движется по полу в ванной комнате.

Еще один простой способ мгновенно «похудеть» - поставить весы на наклонной поверхности, а не на полу. Рисование диаграммы сил на шкале в виде свободного тела и понимание того, как она работает, показывает, почему это правда.

Опять же, весы работают, регистрируя силу тяжести, действующую на них вниз по шкале. Сила тяжести всегда направлена ​​к центру Земли. Когда весы расположены на полу в ванной, они направлены вниз под углом 90 градусов.

Однако, когда весы наклонены, например, сидя на пандусе под углом 20 градусов, сила тяжести равнабольше не перпендикулярно шкале. Разложение силы тяжести на ее компоненты показывает, чтоперпендикулярный компонент,тот, который идет прямо на весы и, таким образом, служит источником показаний весов, являетсяменьше, чем общая сила тяжести. Таким образом, на шкале отображаетсяменьшее числов наклонном положении, чем в положении на полу.

Масса и весне взаимозаменяемы по физике! Многие уравнения и концепции зависят от массы объекта или массы нескольких объектов. Вес является полезным понятием только в ситуациях ньютоновской физики, например, при анализе сил в описанных здесь ситуациях.