Vægt og vægte
Der findes ikke et sted på jorden, hvor der ikke er nogen tyngdekraft. Det betyder, at ethvert objekt, vi nogensinde støder på, befinder sig i Jordens tyngdefelt og derfor påvirkes af mindst én kraft, nemlig tyngdekraften.
For at holde sig det fysiske grundlag for vekselvirkningen for øje foreslår vi, at man kalder dette for tyngdekraften på objektet (purister vil måske foretrække tyngdekraften – men det er bare meget sværere at stave. Tyngdekraften virker i retning af jordens centrum eller, mere enkelt sagt, nedad. Den kraftpil, der repræsenterer tyngdekraften, tegnes bedst fra objektets centrum i en retning lige nedad.
Tyngdekrafthistorien går naturligvis langt ud over Jorden. Tyngdekraften er en universel kraft, som virker mellem to objekter med masse, uanset hvor i universet de måtte befinde sig. (Der er mere om gravitationskraften i afsnittet Gravity and Space i SPT:
For de fleste dagligdags formål er det ikke nødvendigt at skelne mellem masse og vægt. Folk forstår lige så godt, om man siger, at massen af en pose kartofler er 5 kg, eller om man kalder dette for kartoflernes vægt. Inden for videnskaben, og især inden for fysikken, er der imidlertid en klar sondring mellem et objekts masse og den tyngdekraft, der virker på et objekt. Hvis eleverne skal forstå dette område af videnskaben, er de nødt til at forstå forskellen mellem masse og kraft.
Over til dig. Gør dit bedste. Hvad er forskellen mellem masse og tyngdekraften?Giv dig selv et minut til at samle dine tanker. Prøv at forklare det til en ven.
Det kan være, at dine tanker involverer idéer om kræfter, partikler (eller ting), måske endda månen – som jævnligt optræder i sådanne forklaringer. Det er en god idé at starte med tyngdekraften. Det ligger inden for vores hverdagserfaring, at nogle ting vejer mere end andre. Prøv bare at løfte dem. Vægte måler, hvor meget kraft man skal bruge for at holde en genstand stabilt op. Så det virker simpelt og nyttigt at kalde denne støttekraft for vægten.
For eksempel finder man i supermarkeder både topladevægte og også vægte med hængende kurve. Begge instrumenter bruger tyngdekraften til at måle vægten af dagligvarer. De fungerer efter princippet om at finde den opadgående kraft, der er nødvendig for at forhindre, at dagligvarerne falder ned på jorden. Når der foretages en måling, afbalancerer den opadgående kraft fra vægten eller vægten den nedadgående tyngdekraft. Dette er et eksempel på to kræfter i ligevægt. I skolen kan et newtonmeter udføre det samme arbejde. Vægten er så en støttekraft, som måles i newton. Vægte viser størrelsen af denne kraft, som ofte er en træk- eller en kompressionskraft.
Masse og vejning
Hvad er der så med massen? Det bedste sted at starte er at indse, at man ikke kan vise masse med en pil i en skitse. Masse har ikke en retning. Det handler ikke om skub eller træk. Det handler om, hvor svært det er at ændre bevægelsen.
Ting med mere masse er sværere at få i gang og sværere at stoppe, når de først er i gang. Massen er en inertiel egenskab. En pose kartofler på 3 kg vil være sværere at kaste end en pose på 5 kg. Massen måles i enheder af kilogram. Antallet af partikler i side noget måles i mol, og er den korrekte enhed for stofmængde.
Der er en klar sammenhæng mellem massen af en pose kartofler og tyngdekraftens tiltrækningskraft på samme pose. En pose på 5 kg vil veje mere end en pose på 3 kg (posen på 5 kg har en kraft, der virker på den på ca. 50 newton ved jordoverfladen, og posen på 3 kg har en kraft, der virker på den på ca. 30 newton). Jo større masse noget har, jo større er den kraft, der virker på det. Der er en dyb sammenhæng mellem en genstands modvilje mod at blive accelereret og den tyngdekraft, der virker på den.
Lad os antage, at du tager en pose kartofler på 5 kg med til Månen. Du skal ikke spørge hvorfor! Hvis posen føltes tung på Jorden, vil den være meget lettere at løfte på Månen. Kan du forklare hvorfor?
Alting vejer mindre på Månen, fordi tyngdekraften på Månens overflade er svagere end på Jorden. Den er ca. 15 gange mindre end på Jorden. En pose kartofler på 5 kg har således en kraft på ca. 50 newton, der virker på den på Jordens overflade, og ca. 10 newton på Månen. Alt føles lettere. Det skyldes ganske enkelt, at Månen har en mindre masse end Jorden.
Der er dog stadig præcis det samme antal kartofler i posen, så det er lige så svært at accelerere. De 5 kg masse har ikke ændret sig, men det har tyngdekraften (og dermed vægten). Deri ligger forskellen. Kraften afhænger af tyngdekraften; massen afhænger blot af genstanden. Tænk på den kraft, der skal til for at bringe en løbe-rugbyspiller, der løber på jorden, til hvile inden for en meter. Den samme kraft ville være nødvendig for at stoppe den samme spiller, der bevæger sig med samme hastighed og inden for samme afstand, på Månen. Du står stadig over for at skulle stoppe den samme masse, der bevæger sig med samme hastighed.
Det væsentlige punkt er, at massen ikke varierer. Hvis du måler massen af en genstand her på Jorden og på Månen, vil du opdage, at den er nøjagtig den samme. Dette er i overensstemmelse med den sunde fornuft. Hvis man tager en genstand med til Månen, er det den samme genstand: Nogle egenskaber bør forblive de samme, og massen er en af disse iboende egenskaber.
En pose kartofler på 5 kg ville veje ca. 120 newton på Jupiters overflade (styrken af Jupiters overfladetyngdekraft er ca. 24 newton på hvert kg). Planeter, der er mere massive end Jorden, har en stærkere overfladetyngdekraft. Stjerner, der er millioner af gange mere massive end Jorden, har en enorm overfladetyngdekraft. Sorte huller, der er så massive, at det næsten er umuligt at forestille sig, har en så stærk overfladetyngdekraft, at selv lysstråler bliver trukket indad. Det er derfor, vi ikke kan se dem. De fremstår sorte.
Til sidst, bare for at forvirre os alle, giver de fleste hverdagsvægte ikke en aflæsning i newton. For eksempel vil ethvert sæt badevægte, som du sandsynligvis vil bruge derhjemme, være kalibreret i kilogram (og sten og pund!). I dagligdagen finder vi vores vægt i kilogram. I videnskabelige sammenhænge måler vi kraften i newton. Dette er et godt eksempel på en situation, hvor hverdagens og den videnskabelige måde at tale og tænke på adskiller sig fra hinanden.
Supermarkedets vægtmaskine, der fortæller dig, at en pose bananer vejer 3 kilogram, måler i virkeligheden støttekraften til at være ca. 30 newton og dividerer derefter med ti for at give dig bananernes masse som 3 kilogram. Den kan programmeres til at gøre dette, fordi tyngdekraften på Jorden trækker hvert 1 kg ned med en kraft på ca. 10 newton (i virkeligheden ca. 9,8 newton, men 10 newton er tæt nok på dette niveau). Så noget, der vejer (og som har brug for en støttekraft – kompression eller spænding) omkring 30 newton, vil have en masse på omkring 3 kilogram.