Масса против веса

В обычном использовании массу объекта часто называют его весом , хотя на самом деле это разные понятия и величины. В научном контексте масса - это количество « материи » в объекте (хотя «материя» может быть трудно определить), тогда как вес - это сила, действующая на объект под действием силы тяжести . ^[1] Другими словами, объект с массой 1,0 килограмм весит приблизительно 9,81 ньютона на поверхности Земли , что является его массой, умноженной на силу гравитационного поля . На Марсе вес объекта меньше, где гравитация слабее, и больше на Сатурне , и очень мала в космосе, когда далеко от любого значительного источника гравитации, но всегда имеет одинаковую массу.

Предметы на поверхности Земли имеют вес, хотя иногда вес трудно измерить. Примером может служить небольшой объект, плавающий в воде, который, кажется, не имеет веса, поскольку его поддерживает вода; но обнаруживается, что он имеет свой обычный вес, когда его добавляют в воду в контейнере, который полностью поддерживается весами и взвешивается на них. Таким образом, «невесомый объект», плавающий в воде, фактически переносит свой вес на дно емкости (где давление увеличивается). Точно так же воздушный шар имеет массу, но может казаться не иметь веса или даже иметь отрицательный вес из-за плавучести.в воздухе. Однако вес воздушного шара и газа внутри него просто перенесены на большую площадь поверхности Земли, что затрудняет измерение веса. Вес летящего самолета аналогичным образом распределяется на землю, но не исчезает. Если самолет находится в горизонтальном полете, на поверхность Земли распределяется такая же сила веса, как тогда, когда самолет находился на взлетно-посадочной полосе, но распространяется на большую площадь.

Лучшее научное определение массы - это ее описание как мера инерции , которая представляет собой тенденцию объекта не изменять свое текущее состояние движения (оставаться с постоянной скоростью), если на него не действует внешняя неуравновешенная сила. Гравитационный «вес» - это сила, создаваемая, когда на массу действует гравитационное поле, и объекту не разрешается свободное падение, но он поддерживается или замедляется механической силой, такой как поверхность планеты. Такая сила составляет вес. ^{[2] К} этой силе можно добавить любой другой вид силы.

Хотя вес объекта изменяется пропорционально силе гравитационного поля, его масса остается постоянной, пока к объекту не добавляется энергия или вещество. ^[3] Например, хотя спутник на орбите (по сути, в свободном падении) является «невесомым», он все же сохраняет свою массу и инерцию. Соответственно, даже на орбите астронавту, пытающемуся разогнать спутник в любом направлении, по-прежнему требуется приложить силу, и ему нужно приложить в десять раз больше силы, чтобы разогнать 10-тонный спутник с той же скоростью, что и спутник с массой всего лишь 1 тонна.

Обзор [ править ]

Масса материи сильно влияет на многие известные кинетические свойства.

Масса (среди прочих свойств) является инерционным свойством; то есть тенденция объекта оставаться на постоянной скорости, если на него не действует внешняя сила . Под руководством сэра Исаака Ньютона 334-летней давности законы движения и важная формула, появившаяся из его работы, F =  ma , объект с массой m , равной одному килограмму, ускоряется , a , со скоростью один метр в секунду в секунду (примерно одна десятая часть ускорение земного притяжения ) ^[4] под действием силы F в один ньютон .

Инерция проявляется, когда шар для боулинга толкается горизонтально по ровной гладкой поверхности и продолжает горизонтальное движение. Это сильно отличается от его веса, который представляет собой направленную вниз силу тяжести шара для боулинга, которую нужно противодействовать, удерживая его над полом. Вес шара для боулинга на Луне будет в одну шестую от веса шара на Земле, хотя его масса остается неизменной. Следовательно, когда физика кинетики отдачи (масса, скорость, инерция, неупругие и упругие столкновения) доминируют, а влияние гравитации является незначительным фактором, поведение объектов остается неизменным даже при относительно слабой гравитации. Например, бильярдные шары на бильярдном столе будут разбегаться и отскакивать с той же скоростью и энергией после прерывистого выстрела на Луне, что и на Земле; они, однако, опускались в карманы гораздо медленнее.

В физических науках термины «масса» и «вес» жестко определены как отдельные меры, поскольку они представляют собой разные физические свойства. В повседневном использовании, поскольку все повседневные предметы имеют как массу, так и вес, и один почти точно пропорционален другому, «вес» часто служит для описания обоих свойств, его значение зависит от контекста. Например, в розничной торговле «вес нетто» продуктов фактически относится к массе и выражается в единицах массы, таких как граммы или унции (см. Также фунт: использование в торговле ) . И наоборот, индекс нагрузки на автомобильные шины, который указывает максимальную нагрузку на конструкциюдля шины в килограммах означает вес; то есть сила тяжести. До конца 20-го века различие между этими двумя понятиями не применялось строго в технической литературе, поэтому такие выражения, как «молекулярная масса» (для молекулярной массы ), все еще встречаются.

Поскольку масса и вес являются отдельными величинами, они имеют разные единицы измерения. В Международной системе единиц (СИ) килограмм является основной единицей массы, а ньютон - основной единицей силы. Килограмм-сила, не входящая в систему СИ, также является единицей силы, обычно используемой для измерения веса. Точно так же фунт экирдупуа , используемый как в имперской системе, так и в обычных единицах США , является единицей массы, а связанная с ней единица силы - фунт-сила .

Преобразование единиц массы в эквивалентные силы на Земле [ править ]

Когда вес объекта (его сила тяжести) выражается в «килограммах», это фактически относится к килограмм-силе (кгс или кгс), также известной как килопонд (кп), которая не является единицей силы в системе СИ. . Все объекты на поверхности Земли испытывают ускорение свободного падения примерно 9,8 м / с ² . Генеральная конференция по мерам и весам фиксированной величины стандартной силы тяжести в точно 9,80665 м / с ² , так что такими дисциплины, как метрология будут иметь стандартное значение для преобразования единиц определенной массы в заданные силы и давления . Таким образом, килограмм-сила определяется как 9,80665 ньютонов. На самом деле ускорение свободного падения (обозначение: g) незначительно меняется в зависимости от широты , высоты и плотности грунта; эти отклонения обычно составляют всего несколько десятых процента. См. Также Гравиметрию .

Инженеры и ученые понимают разницу между массой, силой и весом. Инженеры в дисциплинах, включающих весовую нагрузку (сила, действующая на конструкцию из-за силы тяжести), таких как проектирование конструкций , преобразуют массу объектов, таких как бетон и автомобили (выраженную в килограммах), в силу в ньютонах (умножая на некоторый коэффициент около 9,8; 2 для таких расчетов обычно достаточно значащих цифр) для определения нагрузки объекта. Свойства материала, такие как модуль упругости , измеряются и публикуются в единицах ньютона и паскаля (единица давления, относящаяся к ньютону).

Плавучесть и вес [ править ]

Обычно соотношение между массой и весом на Земле очень пропорционально; объекты, которые в сто раз массивнее литровой бутылки газировки, почти всегда весят в сто раз больше - примерно 1000 ньютонов, что является весом, который можно ожидать на Земле от объекта с массой чуть больше 100 килограммов. Тем не менее, это не всегда так, и есть знакомые объекты, которые нарушают эту пропорциональность массы / веса .

Обычный воздушный шарик, наполненный гелием, многим знаком. Когда такой воздушный шар полностью заполнен гелием, он обладает плавучестью - силой, противодействующей гравитации. Когда воздушный шар частично сдувается, он часто приобретает нейтральную плавучесть и может парить в доме на расстоянии одного-двух метров от пола. В таком состоянии бывают моменты, когда воздушный шар не поднимается и не опускается и - в том смысле, что помещенные под ним весы не имеют приложенной к нему силы - в некотором смысле совершенно невесом (на самом деле, как указано ниже, вес просто изменился). были перераспределены по поверхности Земли, поэтому его невозможно измерить). Хотя резина, из которой состоит баллон, имеет массу всего несколько граммов, что может быть почти незаметно, резина по-прежнему сохраняет всю свою массу при надувании.

Опять же, в отличие от влияния, которое оказывает на вес условия с низкой гравитацией, плавучесть не заставляет часть веса объекта исчезать; вместо этого недостающий вес переносится землей, что оставляет меньше силы (веса), прикладываемой к любым весам, теоретически размещенным под рассматриваемым объектом (хотя у кого-то могут быть некоторые проблемы с практическими аспектами точного взвешивания чего-либо индивидуально в этом состоянии ). Однако, если бы кто-то взвесил небольшой детский бассейн, в который кто-то затем вошел и начал плавать, он обнаружил бы, что весь вес человека несет бассейн и, в конечном итоге, весы под бассейном. В то время как плавучий объект (на правильно работающих весах для взвешивания плавучих объектов) будет весить меньше, система объект / жидкостьстановится тяжелее на значение полной массы объекта после добавления объекта. Поскольку воздух - это жидкость, этот принцип применим и к системам объект / воздух ; большие объемы воздуха - и, в конечном итоге, земля - ​​поддерживают вес, который тело теряет за счет плавучести в воздухе.

Эффект плавучести влияет не только на воздушные шары; и жидкости, и газы являются жидкостями в физических науках, и когда все объекты макро-размера, превышающие частицы пыли, погружаются в жидкости на Земле, они обладают некоторой степенью плавучести. ^[5] В случае плавания пловца в бассейне или воздушного шара, плавающего в воздухе, плавучесть может полностью противостоять гравитационному весу взвешиваемого объекта для устройства для взвешивания в бассейне. Однако, как уже отмечалось, объект, поддерживаемый жидкостью, принципиально ничем не отличается от объекта, поддерживаемого стропой или тросом - вес просто перенесен в другое место, а не исчезнет.

Массу «невесомых» (нейтрально плавучих) воздушных шаров можно лучше оценить с помощью гораздо более крупных воздушных шаров. Хотя не требуется никаких усилий, чтобы противостоять их весу, когда они парят над землей (когда они часто могут находиться в пределах ста ньютонов нулевого веса), инерция, связанная с их заметной массой в несколько сотен килограммов или более, может сбить с ног взрослых мужчин. ногами, когда корзина воздушного шара движется по земле горизонтально.

Плавучесть и связанное с этим уменьшение направленной вниз силы взвешиваемых объектов лежит в основе принципа Архимеда , который гласит, что сила плавучести равна весу жидкости, которую перемещает объект. Если эта жидкость представляет собой воздух, сила может быть небольшой.

Влияние плавучести воздуха на измерения [ править ]

Обычно влияние плавучести воздуха на объекты нормальной плотности слишком мало, чтобы иметь какие-либо последствия в повседневной деятельности. Так , например, уменьшение эффекта плавучести в по своей массе тела (объект относительно низкой плотности) является ¹ / ₈₆₀ , что силы тяжестей (для чистой воды , что составляет около ¹ / ₇₇₀ , что гравитаций). Кроме того, колебания атмосферного давления редко влияют на вес человека более чем на ± 1 часть из 30 000. ^[6] Однако в метрологии(наука об измерениях) прецизионные эталоны массы для калибровки лабораторных весов и весов производятся с такой точностью, что для компенсации эффекта плавучести учитывается плотность воздуха. Учитывая чрезвычайно высокая стоимость платины и иридия стандартов массовых , как международного прототипа килограмма ( стандартной массы во Франции , который определил величину килограмма), высокого качества «работают» стандарты изготовлены из специальных нержавеющих сплавов ^[7] с плотностью около 8000 кг / м ³ , которые занимают больший объем, чем платино-иридиевые, которые имеют плотность около 21 550 кг / м ^3.. Для удобства для метрологических работ было разработано стандартное значение плавучести по сравнению с нержавеющей сталью, что привело к появлению термина «условная масса». ^[8] Условная масса определяется следующим образом: «Для массы при 20 ° C« условная масса »- это масса эталонного образца с плотностью 8000 кг / м ^3, который уравновешивается в воздухе с плотностью 1,2 кг / м. ^3. " Эффект небольшой, 150  ppm для эталонов массы из нержавеющей стали, но соответствующие поправки вносятся во время производства всех прецизионных эталонов массы, чтобы они имели истинную указанную массу.

Всякий раз, когда высокоточные весы (или весы) в повседневном лабораторном использовании калибруются с использованием стандартов из нержавеющей стали, весы фактически калибруются по условной массе; то есть истинная масса минус 150 частей на миллион плавучести. Поскольку объекты с точно такой же массой, но с разной плотностью вытесняют разные объемы и, следовательно, имеют разную плавучесть и вес, для любого объекта, измеренного по этой шкале (по сравнению с эталоном массы из нержавеющей стали), измеряется его обычная масса; то есть его истинная масса за вычетом неизвестной степени плавучести. При работе с высокой точностью можно измерить объем изделия, чтобы математически обнулить эффект плавучести.

Типы весов и что они измеряют [ править ]

Когда один стоит на баланс луч -типа шкале в кабинете врача, они имеют их масса измеряется непосредственно. Это связано с тем, что весы (компараторы массы с двойным поддоном) сравнивают гравитационную силу, действующую на человека на платформе, с силой, действующей на скользящие противовесы на балках; гравитация - это механизм, генерирующий силу, который позволяет игле отклоняться от «сбалансированной» (нулевой) точки. Эти весы можно переместить от экватора Земли к полюсам и дать точно такие же измерения, то есть они не будут ложно указывать на то, что пациент врача стал тяжелее на 0,3%; они невосприимчивы к противодействующей гравитации центробежной силе из-за вращения Земли вокруг своей оси. Но если вы встанете на пружинный или цифровой датчик веса-основные весы (устройства с одной чашей), вам измеряется ваш вес (сила тяжести); и вариации силы гравитационного поля влияют на чтение. На практике, когда такие весы используются в торговле или больницах, они часто настраиваются на месте и сертифицируются на этой основе, чтобы измеряемая ими масса, выраженная в фунтах или килограммах, имела желаемый уровень точности. ^[9]

Использование в торговле [ править ]

В Соединенных Штатах Америки Министерство торговли США , Управление технологий и Национальный институт стандартов и технологий (NIST) определили использование массы и веса при обмене товаров в соответствии с Едиными законами и правилами в областях по законодательной метрологии и качества топлива двигателя в NIST Handbook 130.

В Справочнике NIST 130 говорится:

V. «Масса» и «Вес». [ПРИМЕЧАНИЕ 1, см. Стр. 6]

Масса объекта - это мера инерционного свойства объекта или количества вещества, которое он содержит. Вес объекта - это мера силы, действующей на объект под действием силы тяжести, или силы, необходимой для его поддержки. Сила тяжести на земле дает объекту ускорение вниз около 9,8 м / с ² . В торговле, коммерции и повседневном использовании термин «вес» часто используется как синоним слова «масса». «Масса нетто» или «вес нетто», указанные на этикетке, указывают на то, что упаковка содержит определенное количество товара без оберточных материалов. Использование термина «масса» преобладает во всем мире и становится все более распространенным в Соединенных Штатах. (Добавлено в 1993 г.)

W. Использование терминов «масса» и «вес». [ПРИМЕЧАНИЕ 1, см. Стр. 6]

В данном руководстве термин «вес» означает «масса». Термин «вес» появляется, когда цитируются единицы дюйм-фунт или когда в требование включены и дюйм-фунт, и единицы СИ. Термины «масса» или «массы» используются, когда в требовании цитируются только единицы СИ. Следующее примечание появляется там, где термин «вес» впервые используется в законе или постановлении.

ПРИМЕЧАНИЕ 1. При использовании в этом законе (или постановлении) термин «вес» означает «масса». (Объяснение этих терминов см. В параграфах V. и W. в Разделе I. Введение Руководства 130 NIST.) (Добавлено в 1993 г.) 6 "

Федеральный закон США, заменяющий это руководство, также определяет вес, в частности вес нетто, в единицах фунта экирдупуа или фунта массы. Из 21CFR101, часть 101.105 - Декларация чистого количества содержимого при освобождении ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} :

(a) На основной панели отображения пищевых продуктов в упаковке должно быть указано количество нетто содержимого. Это должно быть выражено в единицах веса, меры, числового счета или комбинации числового счета и веса или меры. Заявление должно быть выражено в единицах измерения жидкости, если пища жидкая, или в единицах веса, если пища твердая, полутвердая или вязкая, или в виде смеси твердого вещества и жидкости; за исключением того, что такое заявление может быть выражено в единицах измерения сухости, если пища представляет собой свежие фрукты, свежие овощи или другие сухие продукты, которые обычно продаются в сухих условиях. Если существует прочно установившийся общий потребительский обычай и торговый обычай объявлять содержание жидкости по весу или твердого, полутвердого или вязкого продукта по жидкости, это может быть использовано.

(b) (1) Вес должен быть выражен в экирдупуа-фунтах и ​​унциях.

См. Также 21CFR201, часть 201.51 - «Заявление о чистом количестве содержимого», где приведены общие требования к маркировке и маркировке рецептов.

См. Также [ править ]

• Видимый вес
• Гравиметр
• Фунт (сила)

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]