Massa contro peso

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Nell'uso comune, la massa di un oggetto viene spesso indicata come il suo peso, sebbene questi siano in realtà concetti e quantità differenti. In contesti scientifici, la massa si riferisce liberamente alla quantità di "materia" in un oggetto (sebbene la "materia" possa essere difficile da definire), mentre il peso si riferisce alla forza esercitata su un oggetto dalla gravità.[1] In altre parole, un oggetto con una massa di 1,0 chilogrammi peserà circa 9,81 newton sulla superficie della Terra (la sua massa moltiplicata per la forza del campo gravitazionale), poiché il newton è un'unità di forza, mentre il chilogrammo è un'unità di massa. Il peso dell'oggetto sarà minore su Marte (dove la gravità è più debole), più su Saturno e trascurabile nello spazio quando lontano da qualsiasi fonte significativa di gravità, ma avrà sempre la stessa massa.

Gli oggetti sulla superficie della Terra hanno un peso, anche se a volte questo peso è difficile da misurare. Un esempio è un piccolo oggetto che galleggia nell'acqua, che non sembra avere peso poiché è sostenuto dall'acqua; ma si trova che ha il suo peso normale quando viene aggiunto all'acqua in un contenitore che è interamente sostenuto e pesato su una scala. Pertanto, l '"oggetto senza peso" che galleggia nell'acqua trasferisce effettivamente il suo peso sul fondo del contenitore (dove la pressione aumenta). Allo stesso modo, un palloncino ha massa ma potrebbe sembrare che non abbia né peso né pari negativo peso, dovuto alla galleggiabilità in aria. Tuttavia, il peso del pallone e del gas al suo interno è stato semplicemente trasferito su una vasta area della superficie terrestre, rendendo difficile misurare il peso. Il peso di un aereo in volo è distribuito similmente al suolo, ma non scompare. Se l'aereo è in volo livellato, la stessa forza peso viene distribuita sulla superficie della Terra come quando l'aereo era sulla pista, ma si sviluppa su un'area più ampia.

Una definizione scientifica migliore di massa è la sua descrizione come composta da inerzia, che è la resistenza di un oggetto che viene accelerato quando agito da una forza esterna. Il "peso" gravitazionale è la forza creata quando una massa viene influenzata da un campo gravitazionale e l'oggetto non è autorizzato a cadere liberamente, ma è sostenuto o ritardato da una forza meccanica, come la superficie di un pianeta. Una tale forza costituisce il peso.[2] Questa forza può essere aggiunta a qualsiasi altro tipo di forza.

Mentre il peso di un oggetto varia in proporzione alla forza del campo gravitazionale, suo massa è costante (ignorando gli effetti relativistici) finché non viene aggiunta energia o materia all'oggetto.[3] Ad esempio, sebbene un satellite in orbita (essenzialmente una caduta libera) sia "senza peso", mantiene comunque la sua massa e inerzia. Di conseguenza, anche in orbita, un astronauta che cerca di accelerare il satellite in qualsiasi direzione sarà ancora necessario per esercitare la forza, e dovrà esercitare una forza dieci volte maggiore per accelerare un satellite da 10 tonnellate alla stessa velocità di uno con una massa di solo 1 tonnellata.

Sulla Terra, un sedile altalena può dimostrare questa relazione tra forza, massa e accelerazione. Se si dovesse stare dietro un grande adulto fermo su un'altalena e dargli una spinta forte, l'adulto accelera temporaneamente a una velocità piuttosto bassa, quindi dondola solo una breve distanza prima di iniziare a oscillare nella direzione opposta. Applicare lo stesso impulso a un bambino piccolo produrrebbe una velocità molto maggiore.

Panoramica

La massa della materia influenza fortemente molte proprietà cinetiche familiari.

La messa è (tra le altre proprietà) a inerziale proprietà; cioè, la tendenza di un oggetto a rimanere a velocità costante se non viene agito da una forza esterna. Sotto le leggi del moto di 331 anni di Sir Isaac Newton e una formula importante che scaturiva dal suo lavoro, F = mamma, un oggetto con una massa, m, di un chilogrammo accelererà, un, ad un metro al secondo al secondo (circa un decimo dell'accelerazione dovuta alla gravità terrestre)[4] quando agito da una forza, F, di un newton.

L'inerzia è visibile quando una palla da bowling viene spinta orizzontalmente su una superficie piana e liscia e continua in movimento orizzontale. Questo è abbastanza diverso dal suo peso, che è la forza gravitazionale verso il basso della palla da bowling che si deve contrastare quando la si tiene sollevata dal pavimento. Il peso della palla da bowling sulla Luna sarebbe un sesto di quello sulla Terra, sebbene la sua massa rimanga invariata. Di conseguenza, ogni volta che la fisica di rinculo cinetica (massa, velocità, inerzia, collisioni anelastiche ed elastiche) dominano e l'influenza della gravità è un fattore trascurabile, il comportamento degli oggetti rimane coerente anche quando la gravità è relativamente debole. Per esempio, le palle da biliardo su un tavolo da biliardo si disperderebbero e si ritirerebbero con le stesse velocità ed energie dopo una pausa sulla Luna come sulla Terra; tuttavia, cadevano nelle tasche molto più lentamente.

Nelle scienze fisiche, i termini "massa" e "peso" sono rigidamente definiti come misure separate, in quanto sono proprietà fisiche diverse. Nell'uso quotidiano, poiché tutti gli oggetti quotidiani hanno sia massa che peso e uno è quasi esattamente proporzionale all'altro, il "peso" spesso serve a descrivere entrambe le proprietà, il cui significato dipende dal contesto. Ad esempio, nel commercio al dettaglio, il "peso netto" dei prodotti si riferisce effettivamente alla massa ed è espresso in unità di massa come grammi o once (vedere anche Pound: uso in commercio). Viceversa, la valutazione dell'indice di carico sui pneumatici delle automobili, che specifica il carico strutturale massimo per un pneumatico in chilogrammi, si riferisce al peso; cioè, la forza dovuta alla gravità. Prima della fine del 20 ° secolo, la distinzione tra i due non era strettamente applicata nella scrittura tecnica, così che sono ancora viste espressioni come "peso molecolare" (per la massa molecolare).

Poiché la massa e il peso sono quantità separate, hanno diverse unità di misura. Nel Sistema Internazionale di Unità (SI), il chilogrammo è l'unità di massa di base, e il newton è l'unità di base della forza. La forza del chilogrammo non-SI è anche un'unità di forza tipicamente usata nella misura del peso. Allo stesso modo, la sterlina avoirdupois, usata sia nel sistema imperiale che nelle unità consuetudinarie statunitensi, è un'unità di massa, e la sua unità di forza correlata è la forza della sterlina.

Convertire le unità di massa in forze equivalenti sulla Terra

Le anomalie di gravità che coprono l'Oceano Australe sono mostrate qui in rilievo in falsi colori. Questa immagine è stata normalizzata per rimuovere le variazioni a causa delle differenze di latitudine.

Quando il peso di un oggetto (la sua forza gravitazionale) è espresso in "chilogrammi", questo in realtà si riferisce alla forza del chilogrammo (kgf o kg-f), noto anche come kilopond (kp), che è un'unità di forza non-SI. Tutti gli oggetti sulla superficie terrestre sono soggetti ad un'accelerazione gravitazionale di circa 9,8 m / s2. La Conferenza generale su pesi e misure ha fissato il valore della gravità standard a 980665 m / s2 in modo che discipline come la metrologia avrebbero un valore standard per convertire unità di massa definita in forze e pressioni definite. Quindi la forza del chilogrammo è definita esattamente come 9.80665 newton. In realtà, l'accelerazione gravitazionale (simbolo: g) varia leggermente con latitudine, elevazione e densità del sottosuolo; queste variazioni sono in genere solo pochi decimi di punto percentuale. Guarda anche gravimetria.

Ingegneri e scienziati comprendono le distinzioni tra massa, forza e peso. Gli ingegneri in discipline che implicano il carico di peso (forza su una struttura dovuta alla gravità), come l'ingegneria strutturale, convertono la massa di oggetti come il calcestruzzo e le automobili (espressi in chilogrammi) in una forza in newton (moltiplicando per qualche fattore intorno al 9,8; cifre significative sono di solito sufficienti per tali calcoli) per ricavare il carico dell'oggetto. Le proprietà del materiale come il modulo elastico sono misurate e pubblicate in termini di newton e pascal (un'unità di pressione relativa al newton).

Galleggiabilità e peso

Indipendentemente dal fluido in cui un oggetto è immerso (gas o liquido), la forza di galleggiamento su un oggetto è uguale al peso del fluido che sposta.
Una mongolfiera quando ha una galleggiabilità neutrale non ha alcun peso da sostenere per gli uomini, ma mantiene comunque una grande inerzia a causa della sua massa.

Di solito, la relazione tra massa e peso sulla Terra è altamente proporzionale; oggetti che sono cento volte più massicci di una bottiglia da un litro di soda pesano quasi sempre cento volte di più - circa 1.000 newton, che è il peso che ci si aspetterebbe sulla Terra da un oggetto con una massa leggermente superiore a 100 chilogrammi. Tuttavia, questo non è sempre il caso e ci sono oggetti familiari che violano questa proporzionalità massa / peso.

Un pallone giocattolo pieno di elio comune è qualcosa di familiare per molti. Quando un tale pallone è completamente riempito di elio, ha galleggiabilità, una forza che si oppone alla gravità. Quando un pallone giocattolo diventa parzialmente sgonfiato, spesso diventa neutro per galleggiare e può galleggiare intorno alla casa a un metro o due dal pavimento. In questo stato, ci sono momenti in cui il palloncino non sta né salendo né scendendo e, nel senso che una scala posta sotto di esso non avrà alcuna forza applicata ad esso, è, in un certo senso, perfettamente privo di peso (in realtà, come indicato di seguito, il peso è semplicemente stato ridistribuito lungo la superficie terrestre in modo che non possa essere misurato). Sebbene la gomma che comprende il palloncino abbia una massa di pochi grammi, che potrebbe essere quasi impercettibile, la gomma conserva ancora tutta la sua massa quando gonfiata.

Di nuovo, a differenza dell'effetto che gli ambienti a bassa gravità hanno sul peso, la galleggiabilità non fa sparire una parte del peso di un oggetto; il peso mancante viene invece portato dal terreno, lasciando meno forza (peso) applicata a qualsiasi scala teoricamente posizionata sotto l'oggetto in questione (sebbene si possa avere qualche problema con gli aspetti pratici della pesatura accurata di qualcosa individualmente in quella condizione ). Se si dovesse tuttavia pesare una piccola vasca per i bambini che qualcuno è entrato e ha iniziato a fluttuare, avrebbe scoperto che tutto il peso della persona era a carico della piscina e, in definitiva, la scala sotto la piscina. Considerando che un oggetto galleggiante (su una scala correttamente funzionante per pesare oggetti galleggianti) avrebbe un peso inferiore, il oggetto/sistema fluido diventa più pesante dal valore della massa totale dell'oggetto una volta aggiunto l'oggetto. Poiché l'aria è un fluido, questo principio si applica all'oggetto /aria sistemi pure; grandi volumi d'aria - e in definitiva il terreno - sostengono il peso che un corpo perde attraverso la galleggiabilità a mezz'aria.

Gli effetti della galleggiabilità non riguardano solo i palloncini; Sia i liquidi che i gas sono fluidi nelle scienze fisiche e quando tutti gli oggetti di dimensioni macro più grandi delle particelle di polvere sono immersi nei fluidi sulla Terra, hanno un certo grado di galleggiabilità.[5] Nel caso in cui un nuotatore galleggi in una piscina o un pallone che galleggia nell'aria, il galleggiamento può neutralizzare completamente il peso gravitazionale dell'oggetto pesato, per un dispositivo di pesatura nella piscina. Tuttavia, come notato, un oggetto supportato da un fluido non è fondamentalmente diverso da un oggetto supportato da una cinghia o da un cavo: il peso è stato semplicemente trasferito in un'altra posizione, non fatto sparire.

La massa di palloncini "senza peso" (neutrally-boa) può essere meglio apprezzata con mongolfiere molto più grandi.Sebbene non sia necessario alcuno sforzo per contrastare il loro peso quando si librano sul terreno (quando possono essere spesso entro un centinaio di newton di peso zero), l'inerzia associata alla loro massa apprezzabile di diverse centinaia di chilogrammi o più può mandare via completamente gli uomini adulti i loro piedi quando il cesto del pallone si muove orizzontalmente sul terreno.

La galleggiabilità e la conseguente riduzione della forza verso il basso degli oggetti pesati sono alla base del principio di Archimede, che afferma che la forza di galleggiamento è uguale al peso del fluido che l'oggetto sposta. Se questo fluido è aria, la forza potrebbe essere piccola.

Effetti di galleggiamento dell'aria sulla misura

Normalmente, l'effetto della spinta d'aria su oggetti di densità normale è troppo piccolo per avere conseguenze nelle attività quotidiane. Ad esempio, l'effetto decrescente del galleggiamento sul peso corporeo di una persona (un oggetto a densità relativamente bassa) lo è1860 quello della gravità (per l'acqua pura si tratta di1770 quello di gravità). Inoltre, variazioni la pressione barometrica influirà raramente sul peso di più di ± 1 parte su 30.000.[6] Tuttavia, in metrologia (la scienza della misurazione), gli standard di massa di precisione per calibrare le bilance e le bilance di laboratorio sono fabbricati con una precisione tale da giustificare la densità dell'aria per compensare gli effetti di galleggiamento. Dato il costo estremamente elevato degli standard di massa di platino-iridio come il prototipo internazionale del chilogrammo (il standard di massa in Francia che definisce la grandezza del chilogrammo), gli standard "lavorativi" di alta qualità sono fatti di speciali leghe di acciaio inossidabile[7] con densità di circa 8.000 kg / m3, che occupano un volume maggiore di quelli fatti di platino-iridio, che hanno una densità di circa 21.550 kg / m3. Per comodità, un valore standard di galleggiabilità rispetto all'acciaio inossidabile è stato sviluppato per il lavoro di metrologia e questo si traduce nel termine "massa convenzionale".[8] La massa convenzionale è definita come segue: "Per una massa a 20 ° C, la" massa convenzionale "è la massa di uno standard di riferimento di densità 8.000 kg / m3 che bilancia in aria con una densità di 1,2 kg / m3. "L'effetto è piccolo, 150 ppm per gli standard di massa dell'acciaio inossidabile, ma le correzioni appropriate sono fatte durante la fabbricazione di tutti gli standard di massa di precisione in modo che abbiano la vera massa etichettata.

Ogniqualvolta una scala (o bilancia) di alta precisione nel normale uso di laboratorio viene calibrata usando gli standard in acciaio inossidabile, la scala viene effettivamente calibrata sulla massa convenzionale; cioè, massa vera meno 150 ppm di galleggiabilità. Poiché gli oggetti con la stessa massa ma con densità diverse spostano volumi diversi e quindi hanno diverse boa e pesi, qualsiasi oggetto misurato su questa scala (rispetto a uno standard di massa di acciaio inossidabile) ha suo massa convenzionale misurata; cioè, la sua vera massa meno un sconosciuto grado di galleggiabilità. Nel lavoro di alta precisione, il volume dell'articolo può essere misurato matematicamente all'effetto dell'assetto.

Tipi di scale e cosa misurano

Una bilancia di tipo bilanciabile: non influenzata dalla forza di gravità.
Bilancia da bagno a base di cella di carico: influenzata dalla forza di gravità.

Quando si sta in piedi su una bilancia di tipo a raggi di equilibrio in uno studio medico, stanno misurando la massa direttamente. Questo perché le bilance (comparatori di massa "dual-pan") confrontano la forza gravitazionale esercitata sulla persona sulla piattaforma con quella sui contrappesi scorrevoli sulle travi; la gravità è il meccanismo che genera la forza che consente all'ago di divergere dal punto "bilanciato" (nulla). Questi equilibri potrebbero essere spostati dall'equatore terrestre ai poli e fornire esattamente la stessa misurazione, cioè non avrebbero falsamente indicato che il paziente del dottore diventasse dello 0,3% più pesante; sono immuni alla forza centrifuga per contrastare la gravità a causa della rotazione della Terra attorno al suo asse. Ma se passi alle bilance basate su celle di carico digitali oa molla (dispositivi monoparete), stai misurando il tuo peso (forza gravitazionale); e le variazioni nella forza del campo gravitazionale influenzano la lettura. In pratica, quando tali scale vengono utilizzate nel commercio o negli ospedali, sono spesso calibrate sul posto e certificate su tale base, in modo che la massa che misurano, espressa in libbre o chilogrammi, sia al livello desiderato di accuratezza.[9]

Utilizzare in commercio

Negli Stati Uniti d'America, il Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti, l'Amministrazione tecnologica e l'Istituto nazionale degli standard e della tecnologia (NIST) hanno definito l'uso della massa e del peso nello scambio di merci ai sensi delle leggi e dei regolamenti uniformi nelle aree della metrologia legale e della qualità dei carburanti nel Manuale NIST 130.

Il manuale NIST 130 afferma:

V. "Massa" e "Peso". [NOTA 1, vedere pagina 6]
La massa di un oggetto è una misura della proprietà inerziale dell'oggetto o della quantità di materia che contiene. Il peso di un oggetto è una misura della forza esercitata sull'oggetto dalla gravità o dalla forza necessaria per sostenerlo. La forza di gravità sulla terra conferisce a un oggetto un'accelerazione verso il basso di circa 9,8 m / s2. Nel commercio e nel commercio e nell'uso quotidiano, il termine "peso" è spesso usato come sinonimo di "massa". La "massa netta" o "peso netto" dichiarato su un'etichetta indica che il pacco contiene una quantità specifica di merce esclusa i materiali di imballaggio.L'uso del termine "massa" è predominante in tutto il mondo e sta diventando sempre più comune negli Stati Uniti. (Aggiunto 1993)
W. Uso dei termini "Massa" e "Peso". [NOTA 1, vedere pagina 6]
Se usato in questo manuale, il termine "peso" significa "massa". Il termine "peso" appare quando vengono citate unità in pollici-libbra, o quando entrambe le unità in pollici-libbra e SI sono incluse in un requisito. I termini "massa" o "masse" sono usati quando solo le unità SI sono citate in un requisito. La seguente nota appare dove il termine "peso" è usato per la prima volta in una legge o regolamento.
NOTA 1: Se usato in questa legge (o regolamento), il termine "peso" significa "massa". (Vedi paragrafo V. e W. nella Sezione I., Introduzione, del Manuale NIST 130 per una spiegazione di questi termini.) (Aggiunto 1993) 6 "

La legge federale degli Stati Uniti, che sostituisce questo manuale, definisce anche il peso, in particolare il Peso netto, in termini di sterlina evasiva o di sterlina di massa. Dal 21CFR 101 Parte 101.105 - Dichiarazione di quantità netta di contenuti quando esenti:

a) Il tabellone principale di un alimento confezionato deve recare una dichiarazione della quantità netta di contenuto. Questo deve essere espresso in termini di peso, misura, conteggio numerico o una combinazione di conteggio numerico e peso o misura. La dichiarazione deve essere in termini di misura del fluido se il cibo è liquido o in termini di peso se il cibo è solido, semisolido o viscoso o una miscela di solido e liquido; salvo che tale affermazione può essere in termini di misura secca se il cibo è un frutto fresco, una verdura fresca o un altro prodotto secco che viene abitualmente venduto per misura secca. Se esiste un uso generale del consumatore e una consuetudine commerciale consolidata di dichiarare il contenuto di un liquido in peso, o un prodotto solido, semisolido o viscoso per mezzo di una misura fluida, può essere usato. Ogni volta che il Commissario determina che una pratica esistente di dichiarare la quantità netta di contenuto in peso, misura, conteggio numerico o una combinazione nel caso di un alimento confezionato specifico non facilita il confronto di valori da parte dei consumatori e offre opportunità per la confusione del consumatore, lo farà regolamento designare il termine appropriato o termini da utilizzare per tale merce.
(b) (1) Le dichiarazioni di peso devono essere espresse in termini di sterlina e oncia risparmiata.

Vedi anche 21CFR201 Part 201.51 - "Dichiarazione di quantità netta di contenuto" per i requisiti generali di etichettatura e prescrizione dell'etichettatura.

Guarda anche

  • Peso apparente
  • Gravimeter
  • Pound (forza)

Gli appunti

  1. ^ de Silva, G.M.S. (2002), Metrologia di base per la certificazione ISO 9000, Butterworth-Heinemann
  2. ^ National Physical Laboratory: quali sono le differenze tra massa, peso, forza e carico? (FAQ - Mass & Density)
  3. ^ Vedi Messa in relatività speciale per una discussione sulla massa in questo contesto. Un oggetto o una particella non deve viaggiare molto vicino alla velocità della luce, c, per la sua massa relativistica, M (o γm) variare in modo misurabile dalla sua massa a riposo m0. Secondo le trasformazioni di Lorentz e la carta del 1905 di Einstein, The Special Theory of Relativity, la massa relativistica è dello 0,5% maggiore di m0 a solo 9,96%c, influenzando così le misure eseguite con una precisione dell'1%. Mentre il 10% della velocità della luce è estremamente veloce nella maggior parte dei contesti, non è "vicino alla velocità della luce".
  4. ^ Nella metrologia professionale (la scienza della misurazione), l'accelerazione della gravità terrestre viene considerata come gravità standard (simbolo: gn), che è definito con precisione 9.80665 metri al secondo quadrato (m / s2). L'espressione "1 m / s2 " significa che per ogni secondo che trascorre, la velocità cambia di un altro 1 metro al secondo. Un'accelerazione di 1 Signorina2 è lo stesso tasso di variazione della velocità di 3,6 km / h al secondo (≈2,2 mph al secondo).
  5. ^ Gli oggetti delle dimensioni di piccole particelle di polvere, o più piccoli, sono così fortemente influenzati dal moto browniano da non essere più influenzati dalla galleggiabilità.
  6. ^ Ipotesi: una densità dell'aria di 1160 g / m3, una densità media di un corpo umano (con polmoni collassati) uguale a quella dell'acqua, e variazioni nella pressione barometrica raramente superano ± 22 torr (2.9 kPa). Presupposti variabili primarie: un'altitudine di 194 metri sopra il livello medio del mare (l'altitudine media mondiale delle abitazioni umane), una temperatura interna di 23 ° C, un punto di rugiada di 9 ° C e 760 mmHg (101 kPa) pressione.
  7. ^ Ad esempio, per la ricalibratura del chilogrammo del prototipo nazionale negli USA nel 1985, per il confronto sono stati usati due manufatti in acciaio inossidabile austenitico. Uno, chiamato D2, è simile all'acciaio inossidabile 18-8 (tipo 304) (cioè 18% di cromo, 8% di nichel); l'altro, denominato CH-1, è una lega più complessa che potrebbe essere approssimativamente designata come CrNiMo30-25-2 (composizione chimica 29,9% Cr, 25,1% Ni, 2,2% Mo, 1,45% Mn, 0,53 Si, 0,2% Cu , 0,07% C, 0,0019% P).Davis, R. N. (1985). "Ricalibrazione del chilogrammo del prototipo nazionale americano" (PDF). Journal of Research del National Bureau of Standards. Washington: ufficio stampa del governo degli Stati Uniti. 90 (4): 267. doi: 10.6028 / jres.090.015. Archiviato dall'originale (PDF) il 3 giugno 2011. Estratto 2 maggio 2011.
  8. ^ Raccomandazione internazionale OIML R33, Organizzazione internazionale di metrologia legale.
  9. ^ Conferenza generale nazionale su pesi e misure, Specifiche, tolleranze e altri requisiti tecnici per i dispositivi di pesatura e misurazione, Manuale NIST 44
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