В обиходе массу объекта часто называют его весом , хотя на самом деле это разные понятия и величины. Тем не менее, один объект всегда будет весить больше, чем другой, имеющий меньшую массу, если оба объекта подвержены одинаковой гравитации (т. е. одинаковой напряженности гравитационного поля ).
В научном контексте масса — это количество « материи » в объекте (хотя «материю» может быть трудно определить), а вес — это сила, действующая на материю объекта под действием силы тяжести . [1] На поверхности Земли объект, масса которого составляет ровно один килограмм , весит примерно 9,81 ньютона , произведение его массы и напряженности гравитационного поля. Вес объекта меньше на Марсе , где гравитация слабее; еще о Сатурне , где гравитация сильнее; и очень маленький в космосе, вдали от значительных источников гравитации, но всегда имеет одну и ту же массу.
Материальные объекты на поверхности Земли имеют вес, хотя его иногда трудно измерить. Например, объект, свободно плавающий на воде, не имеет веса, поскольку его поддерживает вода. Но его вес можно измерить, если добавить его в воду в сосуде, который полностью поддерживается весами и взвешивается. Таким образом, «невесомый предмет», плавающий в воде, фактически передает свой вес на дно емкости (где давление возрастает). Точно так же воздушный шар имеет массу, но может показаться, что он не имеет веса или даже имеет отрицательный вес из-за плавучести в воздухе. Однако вес воздушного шара и газа внутри него просто перенесся на большую площадь поверхности Земли, что затрудняет измерение веса. Вес летящего самолета аналогично распределяется по земле, но не исчезает. Если самолет находится в горизонтальном полете, на поверхность Земли распределяется та же сила веса, что и при нахождении самолета на взлетно-посадочной полосе, но на большей площади.
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, возникающая, когда на массу воздействует гравитационное поле , и объект не может свободно падать, но 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 постоянна, пока к объекту не добавляется энергия или вещество. [3] Например, хотя спутник на орбите (по сути, свободно падающий) является «невесомым», он все равно сохраняет свою массу и инерцию. Соответственно, даже на орбите астронавту, пытающемуся разогнать спутник в любом направлении, все равно необходимо приложить силу, и ему необходимо приложить в десять раз большую силу, чтобы разогнать 10-тонный спутник с той же скоростью, что и спутник с массой всего 1 тонна.
Масса (помимо других свойств) является инерционным свойством; то есть тенденция объекта оставаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила . Под руководством сэра Исаака Ньютона 337-летние законы движения и важная формула, возникшая в результате его работы, F = ma , объект массой m в один килограмм ускоряется a со скоростью один метр в секунду в секунду (около одной десятой ускорение силы тяжести Земли ) [4] под действием силы F в один ньютон .
Инерция наблюдается, когда шар для боулинга толкается горизонтально по ровной гладкой поверхности и продолжает двигаться горизонтально. Это совершенно отличается от его веса, который представляет собой направленную вниз силу гравитации шара для боулинга, которой нужно противостоять, удерживая его над полом. Вес шара для боулинга на Луне будет составлять одну шестую от земного, хотя его масса останется неизменной. Следовательно, всякий раз, когда доминирует физика кинетики отдачи (масса, скорость, инерция, неупругие и упругие столкновения ) и влияние гравитации является незначительным фактором, поведение объектов остается последовательным даже там, где гравитация относительно слаба. Например, бильярдные шары на бильярдном столе после перерыва на Луне разлетались и отскакивали с той же скоростью и энергией; однако они попадали бы в карманы гораздо медленнее.
В физических науках термины «масса» и «вес» жестко определяются как отдельные меры, поскольку это разные физические свойства. В повседневном использовании, поскольку все предметы повседневного обихода имеют и массу, и вес, и одно почти точно пропорционально другому, «вес» часто служит для описания обоих свойств, причем его значение зависит от контекста. Например, в розничной торговле «вес нетто» продуктов на самом деле относится к массе и выражается в единицах массы, таких как граммы или унции (см. также Фунт: использование в торговле ) . И наоборот, индекс нагрузки автомобильных шин, который указывает максимальную структурную нагрузку шины в килограммах, относится к весу; то есть сила гравитации. До конца 20-го века различие между ними не применялось строго в технической литературе, поэтому такие выражения, как «молекулярная масса» (для молекулярной массы ), все еще встречаются.
Поскольку масса и вес — отдельные величины, 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 эвердупуа , используемый как в имперской системе , так и в обычных единицах измерения США , является единицей массы, а связанная с ним единица силы — фунт -сила .
Когда вес объекта (его гравитационная сила) выражается в «килограммах», это фактически относится к килограмму-силе (кгс или кгс), также известному как килопонд ( кп), который не является единицей силы, отличной от системы СИ. . Все объекты на поверхности Земли подвержены гравитационному ускорению примерно 9,8 м/с 2 . Генеральная конференция по мерам и весам установила значение стандартной силы тяжести точно на уровне 9,80665 м/с 2 , чтобы такие дисциплины, как метрология , имели стандартное значение для преобразования единиц определенной массы в определенные силы и давления . Таким образом, килограмм-сила определяется как ровно 9,80665 ньютонов. В действительности гравитационное ускорение (обозначение: g ) незначительно меняется в зависимости от широты , высоты и плотности недр; эти изменения обычно составляют всего несколько десятых процента. См. также Гравиметрия .
Инженеры и ученые понимают различия между массой, силой и весом. Инженеры в дисциплинах, связанных с весовыми нагрузками (сила, действующая на конструкцию под действием силы тяжести), например, в проектировании конструкций , преобразуют массу таких объектов, как бетон и автомобили (выраженную в килограммах), в силу в ньютонах (путем умножения на некоторый коэффициент около 9,8; 2). значащих цифр обычно достаточно для таких расчетов), чтобы получить нагрузку на объект. Свойства материала, такие как модуль упругости, измеряются и публикуются в ньютонах и паскалях (единица давления, относящаяся к ньютону).
Обычно соотношение массы и веса на Земле весьма пропорционально; объекты, которые в сто раз массивнее литровой бутылки газировки, почти всегда весят в сто раз больше — примерно 1000 ньютонов — именно такой вес можно было бы ожидать на Земле от объекта с массой чуть больше 100 килограммов. Однако это не всегда так, и существуют привычные объекты, нарушающие эту пропорциональность массы/веса .
Обычный игрушечный воздушный шар, наполненный гелием, знаком многим. Когда такой воздушный шар полностью заполнен гелием, он обладает плавучестью — силой, противодействующей гравитации. Когда игрушечный воздушный шар частично сдувается, он часто становится нейтрально плавучим и может плавать по дому на высоте метра или двух над полом. В таком состоянии бывают моменты, когда воздушный шар не поднимается и не опускается и – в том смысле, что на весы, помещенные под него, к нему не действует никакая сила – является в некотором смысле совершенно невесомым (на самом деле, как отмечено ниже, вес просто перераспределена по поверхности Земли, поэтому ее невозможно измерить). Хотя резина, из которой состоит воздушный шар, 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 среды с низкой гравитацией на вес, плавучесть не приводит к исчезновению части веса объекта; недостающий вес вместо этого приходится на землю, в результате чего к любым весам, теоретически расположенным под рассматриваемым объектом, прилагается меньшая сила (вес) (хотя, возможно, могут возникнуть 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 приходится на бассейн и, в конечном итоге, на весы под бассейном. В то время как плавучий объект (на правильно работающих весах для взвешивания плавучих объектов) будет весить меньше, система объект / жидкость становится тяжелее на величину полной массы объекта после добавления объекта. Поскольку воздух является жидкостью, этот принцип применим и к системам объект / воздух ; большие объемы воздуха — и, в конечном итоге, земля — поддерживают вес, который тело теряет из-за плавучести в воздухе.
Эффект плавучести влияет не только на воздушные шары; и жидкости, и газы в физических науках являются жидкостями , и когда все объекты макроразмера, большие, чем частицы пыли, погружены в жидкости на Земле, они обладают некоторой степенью плавучести. [5] В случае пловца, плавающего в бассейне, или воздушного шара, плавающего в воздухе, плавучесть может полностью противодействовать гравитационному весу взвешиваемого объекта для весового устройства 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 исчез.
Массу «невесомых» (нейтрально плавучих) воздушных шаров можно лучше оценить на воздушных шарах гораздо большего размера. Хотя не требуется никаких усилий для противодействия их весу, когда они зависают над землей (когда их вес часто может находиться в пределах ста ньютонов от нулевого веса), инерция, связанная с их заметной массой в несколько сотен килограммов и более, может сбить с ног взрослого человека. их ноги, когда корзина воздушного шара движется горизонтально над землей.
Плавучесть и возникающее в результате уменьшение нисходящей силы взвешиваемых объектов лежат в основе принципа Архимеда , который гласит, что сила плавучести равна весу жидкости, которую вытесняет объект. Если эта жидкость представляет собой воздух, сила может быть небольшой.
Обычно влияние плавучести воздуха на объекты нормальной плотности слишком мало, чтобы иметь какое-либо значение в повседневной деятельности. Например, уменьшающее влияние плавучести на вес тела человека (объекта с относительно низкой плотностью) составляет 1/860 силы тяжести ( для чистой воды оно составляет около 1/770 силы тяжести). Более того, колебания атмосферного давления редко влияют на вес человека более чем на ± 1 часть на 30 000. [6] Однако в метрологии (науке об измерениях) прецизионные эталоны массы для калибровки лабораторных весов изготавливаются с такой точностью, что плотность воздуха учитывается для компенсации эффектов плавучести. Учитывая чрезвычайно высокую стоимость платино-иридиевых эталонов массы, подобных международному прототипу килограмма ( эталону массы во Франции, определявшему величину килограмма), качественные «рабочие» эталоны изготавливаются из специальных сплавов нержавеющей стали [7]. плотностью около 8000 кг/м 3 , которые занимают больший объем, чем платино-иридиевые, имеющие плотность около 21 550 кг/м 3 . Для удобства для метрологических работ было разработано стандартное значение плавучести по отношению к нержавеющей стали, в результате чего появился термин «условная масса». [8] Условная масса определяется следующим образом: «Для массы при 20 °C «условная масса» — это масса эталона плотностью 8000 кг/м 3 , которую он уравновешивает в воздухе с плотностью 1,2 кг/м. 3. » Эффект небольшой, 150 частей на миллион для эталонов массы из нержавеющей стали, но соответствующие поправки вносятся во время изготовления всех прецизионных эталонов массы, чтобы они имели истинную указанную массу.
Всякий раз, когда высокоточные весы (или балансы) при повседневном лабораторном использовании калибруются с использованием эталонов из нержавеющей стали, на самом деле весы калибруются по условной массе; то есть истинная масса минус 150 частей на миллион плавучести. Поскольку объекты с одинаковой массой, но с разной плотностью перемещают разные объемы и, следовательно, имеют разную плавучесть и вес, для любого объекта, измеряемого по этой шкале (по сравнению со стандартом массы из нержавеющей стали), измеряется его обычная масса; то есть его истинная масса минус неизвестная степень плавучести. В высокоточных работах объем предмета можно измерить, чтобы математически свести на нет эффект плавучести.
Когда кто-то стоит на весах типа бревна в кабинете врача, ему напрямую измеряют массу. Это связано с тем, что весы («компараторы масс с двумя чашками») сравнивают гравитационную силу, действующую на человека на платформе, с силой тяжести, действующей на скользящие противовесы на балках; гравитация — это механизм, генерирующий силу, который позволяет игле отклоняться от «сбалансированной» (нулевой) точки. Эти весы можно было бы переместить от экватора Земли к полюсам и дать точно такие же измерения, т. е. они не показывали бы ложно, что пациент врача стал на 0,3% тяжелее; они невосприимчивы к противодействующей гравитации центробежной силе, возникающей из-за вращения Земли вокруг своей оси. Но если кто-то встает на пружинные весы или весы с цифровыми тензодатчиками (устройства с одной чашей), он измеряет свой вес (силу гравитации); и изменения силы гравитационного поля влияют на показания. На практике, когда такие весы используются в торговле или больницах, их часто настраивают на месте и сертифицируют на этой основе, так что измеряемая ими масса, выраженная в фунтах или килограммах, имеет желаемый уровень точности. [9]
В Соединенных Штатах Америки Министерство торговли США , Технологическое управление и Национальный институт стандартов и технологий (NIST) определили использование массы и веса при обмене товарами в соответствии с Едиными законами и правилами в областях законодательной метрологии и качества моторного топлива в Справочнике 130 NIST.
В справочнике NIST 130 говорится:
V. «Масса» и «Вес». [ПРИМЕЧАНИЕ 1, см. стр. 6]
Масса объекта — это мера инерционного свойства объекта или количества содержащейся в нем материи. Вес объекта — это мера силы, действующей на объект под действием силы тяжести, или силы, необходимой для его поддержки. Сила тяжести Земли придает объекту ускорение вниз примерно 9,8 м/с 2 . В торговле и коммерции, а также в повседневном обиходе 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, не считая упаковочных материалов. Использование термина «массовый» 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 справочнике термин «вес» означает «масса». Термин «вес» появляется, когда упоминаются единицы дюйм-фунт или когда в требование включены как единицы дюйм-фунт, так и единицы СИ. Термины «масса» или «массы» используются, когда в требовании указаны только единицы СИ. Следующее примечание появляется там, где термин «вес» впервые используется в законе или постановлении.
ПРИМЕЧАНИЕ 1: При использовании в настоящем законе (или постановлении) термин «вес» означает «массу». (Пояснение этих терминов см. в параграфах V и W раздела I «Введение» Справочника 130 NIST.) (Добавлено в 1993 г.) 6»
Федеральный закон США, который заменяет собой настоящий справочник, также определяет вес, особенно вес нетто, в фунтах эвердупуа или массовых фунтах. Из 21CFR101, часть 101.105 – Декларация чистого количества содержимого при освобождении от уплаты [ постоянная мертвая ссылка ] :
(a) На основной демонстрационной панели пищевого продукта в упаковке должно быть указано чистое количество содержимого. Это должно быть выражено в терминах веса, меры, числового счета или комбинации числового счета и веса или меры. Заявление должно быть указано в единицах измерения жидкости, если пища жидкая, или в единицах веса, если пища твердая, полутвердая или вязкая, или смесь твердого и жидкого; за исключением того, что такое заявление может быть сделано в сухом виде, если пища представляет собой свежие фрукты, свежие овощи или другой сухой товар, который обычно продается в сухом виде. Если существует общепринятый потребительский и торговый обычай указывать содержание жидкости по весу или твердого, полутвердого или вязкого продукта в единицах измерения жидкости, его можно использовать. Всякий раз, когда Комиссар определяет, что существующая практика декларирования чистого количества содержимого по весу, мере, числовому подсчету или их комбинации в случае конкретных упакованных пищевых продуктов не облегчает потребителям сравнение стоимости и создает возможность ввести потребителей в заблуждение, он будет Постановление определяет соответствующий термин или термины, которые будут использоваться для такого товара.
(b)(1) Вес указывается в фунтах эвердупуа и унциях.
См. также 21CFR201, часть 201.51 – «Декларация о количестве нетто содержимого», где приведены общие требования к маркировке и маркировке по рецепту.