Wagi i urządzenia ważące
Nie ma takiego miejsca na powierzchni Ziemi, gdzie nie działałaby grawitacja. Oznacza to, że każdy obiekt, z którym kiedykolwiek się zetkniemy, znajduje się w polu grawitacyjnym Ziemi i dlatego działa na niego co najmniej jedna siła, siła wynikająca z grawitacji.
Aby pamiętać o fizycznych podstawach oddziaływania, proponujemy nazwać to siłą grawitacji działającą na obiekt (puryści mogą preferować siłę grawitacji – ale to po prostu dużo trudniej przeliterować. Grawitacja działa w kierunku środka Ziemi lub, prościej mówiąc, w dół. Strzałka siły reprezentująca siłę grawitacji jest najlepiej narysowana od środka obiektu w kierunku prosto w dół.
Historia grawitacji, oczywiście, wykracza daleko poza Ziemię. Grawitacja jest uniwersalną siłą, która działa pomiędzy dowolnymi dwoma obiektami o masie, gdziekolwiek by się nie znajdowały we wszechświecie. (Więcej o sile grawitacji jest w odcinku Grawitacja i przestrzeń kosmiczna w SPT: Ziemia w kosmosie temat.)
Dla większości codziennych celów, naprawdę nie ma potrzeby rozróżniania między masą a ciężarem. Ludzie rozumieją równie dobrze, jeśli powiesz, że masa worka ziemniaków wynosi 5 kilogramów lub jeśli nazwiesz to wagą ziemniaków. Jednak w nauce, a w szczególności w fizyce, istnieje wyraźne rozróżnienie pomiędzy masą obiektu a siłą grawitacji działającą na obiekt. Jeśli uczący się mają zrozumieć ten obszar nauki, muszą docenić różnicę między masą a siłą.
Over to you. Daj z siebie wszystko. Jaka jest różnica między masą a siłą grawitacji? Daj sobie minutę na zebranie myśli. Spróbuj wyjaśnić to przyjacielowi.
Może się okazać, że twoje myśli dotyczą sił, cząsteczek (lub rzeczy), a może nawet Księżyca – który regularnie pojawia się w takich wyjaśnieniach. Dobrym pomysłem jest zacząć od siły grawitacji. W naszym codziennym doświadczeniu jest to, że niektóre rzeczy ważą więcej niż inne. Wystarczy spróbować je podnieść. Wagi mierzą, ile siły potrzeba, by utrzymać przedmiot stabilnie w górze. Wydaje się więc proste i pomocne, aby nazwać tę siłę nośną wagą.
Na przykład, w supermarketach znajdziesz górne wagi szalkowe, a także wiszące wagi koszowe. Oba instrumenty wykorzystują siłę grawitacji do pomiaru wagi produktów spożywczych. Działają one na zasadzie znalezienia siły skierowanej ku górze, wymaganej do powstrzymania produktów spożywczych przed upadkiem na ziemię. Kiedy dokonywany jest pomiar, siła skierowana ku górze przez wagę lub wagę równoważy siłę grawitacji skierowaną ku dołowi. Jest to przykład dwóch sił w równowadze. W szkole to samo zadanie wykona niutonometr. Ciężar jest wtedy siłą nośną, którą mierzy się w niutonach. Maszyny ważące pokazują wielkość tej siły, która często jest siłą rozciągającą lub ściskającą.
Masa i ważenie
Co zatem z masą? Najlepszym miejscem do rozpoczęcia jest uświadomienie sobie, że nie można pokazać masy za pomocą strzałki na szkicu. Masa nie ma kierunku. Nie chodzi o pchanie czy ciągnięcie. Chodzi o to, jak trudno jest zmienić ruch.
Rzeczy z większą masą trudniej jest rozpędzić i trudniej zatrzymać, gdy już się rozpędzą. Masa jest właściwością bezwładnościową. Trzykilogramowy worek ziemniaków będzie trudniejszy do rzucenia niż worek pięciokilogramowy. Masę mierzy się w jednostkach kilogramów. Liczba cząsteczek w boku czegoś jest mierzona w molach, i jest właściwą jednostką dla ilości materii.
Istnieje wyraźny związek pomiędzy masą worka ziemniaków i przyciąganiem grawitacyjnym tego samego worka. Worek 5-kilogramowy będzie ważył więcej niż worek 3-kilogramowy (na worek 5-kilogramowy działa siła o wartości około 50 niutonów przy powierzchni Ziemi, a na worek 3-kilogramowy siła o wartości około 30 niutonów). Im większa jest masa czegoś, tym większa jest siła działająca na to coś. Istnieje głęboki związek między niechęcią obiektu do rozpędzania się a działającą na niego siłą grawitacji.
Załóżmy, że zabierzesz na Księżyc 5-kilogramowy worek ziemniaków. Nie pytaj dlaczego! Jeśli na Ziemi worek wydawał się ciężki, to na Księżycu będzie o wiele łatwiejszy do podniesienia. Czy możesz wyjaśnić dlaczego?
Wszystko waży mniej na Księżycu, ponieważ siła grawitacji na powierzchni Księżyca jest słabsza niż na Ziemi. Jest ono około 15 razy mniejsze niż na Ziemi. Tak więc na 5-kilogramowy worek ziemniaków działa siła około 50 niutonów na powierzchni Ziemi i około 10 niutonów na Księżycu. Wszystko wydaje się lżejsze. Dzieje się tak po prostu dlatego, że Księżyc ma mniejszą masę niż Ziemia.
Jednakże w worku jest nadal dokładnie taka sama liczba ziemniaków, więc tak samo trudno jest go rozpędzić. Masa 5 kilogramów nie zmieniła się, ale siła grawitacji (a więc i ciężar) tak. Na tym właśnie polega różnica. Siła zależy od grawitacji; masa zależy tylko od obiektu. Rozważmy siłę potrzebną do sprowadzenia na Ziemię biegnącego rugbisty, który zatrzyma się na metrze. Ta sama siła byłaby potrzebna do zatrzymania tego samego gracza, poruszającego się z tą samą prędkością, w tej samej odległości, na Księżycu. Nadal masz do czynienia z zatrzymaniem tej samej masy poruszającej się z tą samą prędkością.
Podstawową kwestią jest to, że masa się nie zmienia. Jeśli zmierzysz masę obiektu tutaj na Ziemi i na Księżycu, okaże się, że jest ona dokładnie taka sama. Jest to zgodne ze zdrowym rozsądkiem. Je±li zabierzesz obiekt na K¡piec, to jest to ten sam obiekt: Niektóre właściwości powinny pozostać takie same, a masa jest jedną z tych nieodłącznych właściwości.
Pięciokilogramowy worek ziemniaków ważyłby około 120 niutonów na powierzchni Jowisza (siła grawitacji powierzchni Jowisza wynosi około 24 niutony na każdy kilogram). Planety masywniejsze od Ziemi mają silniejszą grawitację powierzchniową. Gwiazdy, miliony razy masywniejsze od Ziemi, mają ogromną grawitację powierzchniową. Czarne dziury, tak masywne, że jest to prawie niemożliwe do wyobrażenia, mają tak silną grawitację powierzchniową, że nawet promienie świetlne są wciągane do środka. To dlatego nie możemy ich zobaczyć. Wydają się czarne.
Na koniec, aby nas wszystkich zmylić, większość codziennych urządzeń ważących nie podaje odczytu w niutonach. Na przykład, każdy zestaw wag łazienkowych, których prawdopodobnie będziesz używał w domu, będzie skalibrowany w kilogramach (oraz kamieniach i funtach!). W życiu codziennym naszą wagę mierzymy w kilogramach. W kontekstach naukowych mierzymy siłę w niutonach. Jest to dobry przykład sytuacji, w której codzienne i naukowe sposoby mówienia i myślenia różnią się od siebie.
Waga w supermarkecie, która mówi ci, że torba bananów waży 3 kilogramy, tak naprawdę mierzy siłę nośną jako około 30 niutonów, a następnie dzieli przez dziesięć, aby podać ci masę bananów jako 3 kilogramy. Można go tak zaprogramować, ponieważ na Ziemi grawitacja ściąga każdy 1 kilogram w dół z siłą około 10 niutonów (w rzeczywistości około 9,8 niutonów, ale 10 niutonów jest wystarczająco bliskie na tym poziomie). Tak więc coś ważącego (potrzebującego siły podtrzymującej – ściskania lub rozciągania) około 30 niutonów będzie miało masę około 3 kilogramów.