Peso e máquinas de pesagem
Não há um lugar na face da Terra onde não haja acção da gravidade. Isto significa que cada objeto que encontramos está localizado no campo gravitacional da Terra e por isso é agido por pelo menos uma força, a força devida à gravidade.
Para manter a base física da interação em mente, sugerimos que você chame isso de força gravitacional no objeto (os puristas podem preferir a força gravitacional – mas isso é muito mais difícil de soletrar. A gravidade actua em direcção ao centro da Terra ou, mais simplesmente, para baixo. A seta de força que representa a força da gravidade é melhor desenhada a partir do centro de um objecto numa direcção directamente para baixo.
A história da gravidade, claro, vai muito para além da Terra. A gravidade é uma força universal que age entre quaisquer dois objetos com massa onde quer que eles estejam no universo. (Há mais sobre a força gravitacional no episódio da Gravidade e do Espaço no SPT: Terra no espaço.)
Para a maioria dos propósitos diários, não há realmente necessidade de distinguir entre massa e peso. As pessoas entendem igualmente bem se você disser que a massa do saco de batatas é de 5 quilos ou se você chamar isso de o peso das batatas. No entanto, na ciência, e particularmente na física, há uma clara distinção entre a massa de um objeto e a atração da gravidade agindo sobre um objeto. Para que os alunos possam compreender esta área da ciência, precisam de apreciar a diferença entre massa e força.
Over para si. Dê o seu melhor. Qual é a diferença entre massa e força da gravidade? Dê a si mesmo um minuto para recolher os seus pensamentos. Tente explicar isto a um amigo.
Pode ser que seus pensamentos envolvam idéias sobre forças, partículas (ou coisas), talvez até mesmo a Lua – o que faz uma aparência regular em tais explicações. É uma boa idéia começar com a força da gravidade. É dentro da nossa experiência diária que algumas coisas pesam mais do que outras. Basta tentar levantá-las. As máquinas de pesagem medem quanta força você precisa para segurar um objeto com firmeza. Então parece simples, e útil, chamar essa força de suporte de peso.
Por exemplo, nos supermercados você encontrará balanças de bandeja superior e também balanças de cesta penduradas. Ambos os instrumentos usam a força da gravidade para medir o peso das mercearias. Eles trabalham com base no princípio de encontrar a força ascendente necessária para impedir que as mercearias caiam ao chão. Quando é feita uma medição, a força ascendente da máquina de pesagem, ou balança, equilibra o puxão da gravidade para baixo. Este é um exemplo de duas forças em equilíbrio. Na escola um newtonmeter vai fazer o mesmo trabalho. O peso então é uma força de apoio, que é medida em newtons. Máquinas de pesagem mostram a magnitude desta força, que é frequentemente uma força de tensão ou uma força de compressão.
Massa e pesagem
E então de massa? O melhor lugar para começar é perceber que você não pode mostrar a massa com uma seta em um esboço. A massa não tem uma direcção. Não se trata de empurrões ou puxões. Trata-se de como é difícil mudar o movimento.
Coisas com mais massa são cada vez mais difíceis de se fazer e mais difíceis de se parar uma vez que estão indo. A massa é uma propriedade inercial. Um saco de 3 quilos de batatas será mais difícil de lançar do que um saco de 5 quilos. A massa é medida em unidades de quilos. O número de partículas no lado algo é medido em toupeiras, e é a unidade correta para a quantidade de matéria.
Há uma ligação clara entre a massa de um saco de batatas e o puxar da gravidade no mesmo saco. Um saco de 5 quilos pesa mais do que um saco de 3 quilos (o saco de 5 quilos tem uma força agindo sobre ele de cerca de 50 newton na superfície da Terra e o saco de 3 quilos uma força agindo sobre ele de cerca de 30 newton). Quanto mais a massa de algo, maior é a força que age sobre essa coisa. Existe uma ligação profunda entre a relutância de um objeto em ser acelerado e a força da gravidade agindo sobre ele.
Suponhamos que você leva um saco de 5 quilos de batatas para a Lua. Não pergunte porquê! Se o saco se sentir pesado na Terra, será muito mais fácil de levantar na Lua. Podes explicar porquê?
Tudo o que pesa menos na Lua porque a força da gravidade na superfície da Lua é mais fraca do que a da Terra. É cerca do 15º que há na Terra. Assim, o saco de 5 kg de batatas tem uma força de cerca de 50 newtons agindo sobre ela na superfície da Terra e cerca de 10 newtons na Lua. Tudo parece mais leve. Isto é simplesmente porque a Lua tem uma massa menor que a Terra.
No entanto ainda há exactamente o mesmo número de batatas no saco, por isso é igualmente difícil de acelerar. A massa de 5 quilos não mudou, mas a força da gravidade (e portanto o peso) mudou. Aí reside a diferença. A força depende da gravidade; a massa depende apenas do objecto. Considere a força necessária para trazer um jogador de rúgbi terrestre para descansar dentro de um metro. A mesma força seria necessária para parar o mesmo jogador, movendo-se à mesma velocidade, dentro da mesma distância, na Lua. Você ainda está diante de parar a mesma massa, movendo-se à mesma velocidade.
O ponto essencial é que a massa não varia. Se você medir a massa de um objeto aqui na Terra e na Lua, você verá que ela é exatamente a mesma. Isto está de acordo com o senso comum. Se você levar um objeto para a Lua, ele é o mesmo objeto: Algumas propriedades devem permanecer as mesmas e a massa é uma dessas propriedades intrínsecas.
O saco de 5 quilos de batatas pesaria cerca de 120 newtons na superfície de Júpiter (a força da gravidade superficial de Júpiter é de cerca de 24 newtons em cada quilograma). Os planetas mais maciços que a Terra têm uma gravidade superficial mais forte. Estrelas, milhões de vezes mais maciças do que a Terra, têm uma enorme gravidade superficial. Os buracos negros, tão maciços que é quase impossível imaginar, têm uma gravidade superficial tão forte que até mesmo os raios de luz são puxados para dentro. É por isso que não conseguimos vê-los. Eles parecem pretos.
Finalmente, só para nos confundir a todos, a maioria das máquinas de pesagem do dia-a-dia não lhe dão uma leitura em newtons. Por exemplo, qualquer conjunto de balanças de casa de banho que você provavelmente vai usar em casa será calibrado em quilos (e pedras e libras!). No dia-a-dia, encontramos o nosso peso em quilos. Em contextos científicos, medimos a força em newtons. Este é um bom exemplo de uma situação em que as formas diárias e científicas de falar e pensar diferem umas das outras.
A máquina de pesagem do supermercado que vos diz que um saco de bananas pesa 3 quilos mede realmente a força de suporte para ser cerca de 30 newtons e depois divide-se por dez para vos dar a massa das bananas como 3 quilos. Pode ser programado para fazer isto porque na Terra a gravidade puxa cada 1 quilograma para baixo com uma força de cerca de 10 newton (na verdade cerca de 9,8 newton, mas 10 newton está suficientemente perto a este nível). Então algo pesando (precisando de uma força de suporte – compressão ou tensão) cerca de 30 newtons vai ter uma massa de cerca de 3 kilogramas.