В повседневной жизни для большинства людей понятия массы и веса тела кажутся синонимичными. Часто, говоря о массе чего-либо, например, о количестве купленных продуктов, называют его весом покупки. На самом деле в физике эти фундаментальные понятия несут разную смысловую нагрузку. Но обывателям тоже не лишним будет разобраться про термины вес и масса, в чем разница между ними.
Содержание
Определение массы
Большинство физических величин описывает какое-то одно, уникальное свойство. С массой дело обстоит сложнее. Во-первых, значение массы, конечно, зависит от содержания в теле того или иного количества вещества. Кроме этого, величина массы тела одновременно характеризует инерционные и гравитационные свойства тел.
Инертность
Инерция — это способность тела сохранять (продолжать) равномерное движение либо находиться в состоянии покоя при отсутствии действия на него внешних сил. Несколько примеров из повседневной жизни, помогающих вспомнить смысл этого понятия:
- когда водитель общественного транспорта резко стартует с места или неожиданно тормозит, то пассажиры «по инерции» продолжают движение вперёд или назад;
- способ насаживания металлической части топора или молотка с помощью постукивания рукоятки о поверхность верстака основан на продолжении движения «по инерции» тяжёлой металлической детали после резкой остановки;
- бегун, стремящийся обогнуть встречное дерево для резкой смены направления, обхватывает дерево руками, иначе, двигаясь «по инерции», он пробежит дальше, по ходу движения.
Было замечено, что физические тела обладают разной инерционной способностью. Чем тяжелее тело, тем труднее вывести его из состояния покоя или остановить (заставить изменить направление), если оно движется.
Гравитационные свойства
Английский физик Исаак Ньютон в 1687 году открыл закон всемирного тяготения о взаимном притяжении материальных тел друг к другу. Формула для расчёта силы взаимного притяжения выглядит так:
F = G*(m1*m2)/r2 (1),
где:
- F — сила притяжения,
- m1 и m2 — массы взаимодействующих тел,
- r — расстояние между центрами масс тел,
- G — гравитационная константа, равная 6,67*10-11 м3/(кг*с2).
Если подставить в формулу (1) вместо m2 массу Земли, а вместо r расстояние до центра Земли, то получим формулу (2):
F = m1*g (2),
где:
g — ускорение силы тяжести:
g = G/r2 (3).
Из (1) и (2) следует, что, например, на Луне, имеющей существенно меньшую массу, gЛуны будет в шесть раз меньше, чем gЗемли.
Таким образом, масса тела является основополагающей величиной для определения:
- силы тяжести или гравитационного притяжения (от латинского слова gravitas —«тяжесть») тела с другими телами;
- определения инертных свойств тела;
- вычисления количества вещества, из которого состоит тело.
Большой вклад в формирование понятий о массе внесли выдающиеся учёные: Галилео Галилей (Италия) и Исаак Ньютон (Англия).
Определение веса
Когда тело лежит на неподвижной опоре или подвешено на пружинке, то вследствие притяжения к Земле оно оказывает воздействие на опору (давит) или растягивает пружину.
Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес из-за земного притяжения называется весом тела.
Ниже, на картинке 3 показаны различия между Fтяж и P:
- Fтяж приложена к телу, то есть к центру его масс. Точка приложения P находится на опоре или подвесе;
- Fтяж направлена всегда к центру Земли, в то время как P перпендикулярен опоре или параллелен подвесу.
Природа силы тяжести — гравитация. Вес является следствием сил упругости, которые обусловлены электромагнитным взаимодействием молекул при деформации опоры или пружины.
Почему это «две большие разницы»
Несмотря на кажущуюся идентичность понятий веса и массы, следует чётко понимать ключевые различия этих терминов.
Тип величины
В физике различают скалярные и векторные величины. Скалярная величина имеет единственную характеристику в виде числового значения. Масса — это классический пример скалярной величины. Для совершения каких-либо математических вычислений достаточно проведения простых алгебраических действий. Примерами скалярных физических величин могут служить плотность, объём, температура.
Векторная величина в физике имеет два признака:
- Числовое значение — модуль вектора, который всегда больше нуля.
- Направление в пространстве — вектор (от латинского vector — несущий).
Примеры векторных величин: скорость, ускорение, импульс, сила.
Единицы измерения
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения массы является килограмм. Это одна из семи базовых единиц, на которых построена эта система. Все остальные единицы измерений могут быть выражены с помощью базовых.
Но поскольку были обнаружены отклонения от эталонных значений в силу различных внешних факторов, то на сегодня килограмм привязан к фундаментальному значению постоянной Планка равной 6,62607015*10-34 Дж*с.
Единицей измерения веса является ньютон, который отражает силовую (весовую) характеристику этой величины, следующую из второго закона Ньютона:
[1 Н] = [1 кг] * [1 м/с] (4).
Формула (4) дополнительно указывает на то, чем отличается ньютон веса от килограмма массы.
Несмотря на кажущуюся близость понятий, необходимо понимать основные различия, так как в повседневной жизни эти термины часто путают, подменяя один другим.
Например, в продуктовом магазине покупку, взвешенную на весах, называют в граммах или килограммах. А на приёме у врача наш вес фиксируют в килограммах. Всё бы ничего, но килограмм — это единица измерения массы. Правильнее было бы говорить «масса пациента» и «масса продуктов».
Апофеозом смешения этих понятий может служить популярная в начале нынешнего века ТВ-реклама, в которой продавец вопрошал: «Сколько вешать в граммах?». Причина такой путаницы заключается в том, что массу традиционно измеряют с помощью весов, которые уравновешены, когда вес измеряемого тела на одной чашке оказывается равным весу калиброванных гирек на второй чашке. Равновесие означает, что равны силы тяжести, действующие на чаши весов, а следовательно равны и массы этих тел. Картинка 5 иллюстрирует сложившийся «массовый» стереотип.
Способы измерения
Самым распространённым способом измерения массы является взвешивание на весах разного класса точности. При взвешивании на механических весах происходит сравнение неизвестной массы с калиброванными гирями, параметры которых предварительно известны c хорошей точностью. Разброс значений гирь простирается от нескольких килограмм до миллиграммов (аналитические весы).
В принципе, происходит то же самое, что и с калиброванными гирями — полученный сигнал сравнивается с сигналом от известной массы, и с помощью вычислительного алгоритма искомое значение высвечивается на электронном табло.
Невесомость — дополнительный ключ к пониманию различий
Состояния невесомости, которое часто демонстрируют в репортажах с космических станций, особенно ярко демонстрирует отличие отсутствующего там веса тела от его массы.
Невесомость, то есть отсутствие веса, возникает, когда тело находится в состоянии свободного падения, не оказывая воздействия на опору (землю, подставку и т.п.). Камень, подброшенный вверх или падающий с крыши здания, будет находиться очень короткое время в состоянии невесомости.
Длительное пребывание в невесомом состоянии происходит в условиях космических полётов на околоземных орбитах. Космический корабль, двигаясь по круговой орбите, находится в состоянии постоянного свободного падения, что и приводит к перманентному состоянию невесомости.
Заметим, что инертные свойства тела, находящегося в невесомости, остаются неизменными.
Разные, но взаимозависимые
Прямая зависимость между весом и массой следует из формулы (2), переписав которую в несколько иных обозначениях, получим:
P = m*g (5),
где:
g — ускорение силы тяжести (свободного падения) равное 9,8 м/с2.
Из формулы (5) следует, что чем больше масса тела, тем больше его вес.
Видео по теме статьи
В видеоролике ниже показана разница между двумя терминами.
Заключение
Несмотря на кажущуюся идентичность терминов, следует чётко понимать, чем отличается вес тела от массы. Для обыденных, жизненных потребностей невольное совмещение этих понятий не приводит к большим неудобствам и проблемам. Существенные различия следует учитывать для проведения корректных научных, учебных и инженерных расчётов.
