Masini de cântărire și greutate
Nu există nici un loc pe suprafața Pământului unde să nu acționeze gravitația. Acest lucru înseamnă că orice obiect pe care îl întâlnim se află în câmpul gravitațional al Pământului și, prin urmare, este acționat de cel puțin o forță, forța datorată gravitației.
Pentru a păstra în minte baza fizică a interacțiunii, vă sugerăm să o numiți forța gravitațională asupra obiectului (puriștii ar putea prefera forța gravitațională – dar aceasta este mult mai greu de scris. Gravitația acționează spre centrul Pământului sau, mai simplu, în jos. Săgeata forței care reprezintă forța de gravitație este cel mai bine trasată din centrul unui obiect într-o direcție drept în jos.
Povestea gravitației, bineînțeles, merge mult dincolo de Pământ. Gravitația este o forță universală care acționează între orice două obiecte cu masă, oriunde s-ar afla acestea în univers. (Există mai multe despre forța gravitațională în episodul Gravity and Space din SPT: Pământul în spațiu.)
Pentru majoritatea scopurilor de zi cu zi, nu este într-adevăr necesar să se facă distincția între masă și greutate. Oamenii înțeleg la fel de bine dacă spuneți că masa pungii de cartofi este de 5 kilograme sau dacă numiți acest lucru greutatea cartofilor. Cu toate acestea, în știință, și în special în fizică, există o distincție clară între masa unui obiect și forța de atracție a gravitației care acționează asupra unui obiect. Dacă cursanții vor să înțeleagă acest domeniu al științei, ei trebuie să aprecieze diferența dintre masă și forță.
Începem cu dvs. Dați tot ce aveți mai bun. Care este diferența dintre masă și forța gravitațională?acordați-vă un minut pentru a vă aduna gândurile. Încercați să explicați acest lucru unui prieten.
Se poate ca gândurile dumneavoastră să implice idei despre forțe, particule (sau chestii), poate chiar și despre Lună – care își face o apariție regulată în astfel de explicații. Este o idee bună să începeți cu forța de gravitație. Face parte din experiența noastră zilnică faptul că unele lucruri cântăresc mai mult decât altele. Încercați doar să le ridicați. Aparatele de cântărire măsoară câtă forță este necesară pentru a ține un obiect în sus în mod stabil. Așa că pare simplu, și util, să numim această forță de susținere greutate.
De exemplu, în supermarketuri veți găsi cântare cu tavă de sus și, de asemenea, cântare cu coșuri suspendate. Ambele instrumente folosesc forța de atracție a gravitației pentru a măsura greutatea produselor alimentare. Ele funcționează pe principiul de a găsi forța ascendentă necesară pentru a opri căderea cumpărăturilor pe sol. Atunci când se face o măsurătoare, forța ascendentă a cântarului sau a cântarului echilibrează atracția gravitațională descendentă. Acesta este un exemplu de două forțe în echilibru. În școală, un newtonmetru va face aceeași treabă. În acest caz, greutatea este o forță de susținere, care se măsoară în newtoni. Aparatele de cântărire arată magnitudinea acestei forțe, care este adesea o forță de tensiune sau o forță de compresie.
Masa și cântărirea
Ce facem atunci cu masa? Cel mai bun loc pentru a începe este să vă dați seama că nu puteți arăta masa cu o săgeată într-o schiță. Masa nu are o direcție. Nu este vorba despre împingeri sau tracțiuni. Este vorba despre cât de greu este să schimbi mișcarea.
Celelalte lucruri cu o masă mai mare sunt mai greu de pus în mișcare și mai greu de oprit odată ce sunt în mișcare. Masa este o proprietate inerțială. Un sac de cartofi de 3 kilograme va fi mai greu de aruncat decât un sac de 5 kilograme. Masa se măsoară în unități de kilograme. Numărul de particule dintr-o parte ceva se măsoară în moli și este unitatea corectă pentru cantitatea de materie.
Există o legătură clară între masa unui sac de cartofi și atracția gravitațională asupra aceluiași sac. O pungă de 5 kilograme va cântări mai mult decât o pungă de 3 kilograme (punga de 5 kilograme are o forță care acționează asupra ei de aproximativ 50 de newtoni la suprafața Pământului, iar punga de 3 kilograme o forță care acționează asupra ei de aproximativ 30 de newtoni). Cu cât este mai mare masa unui lucru, cu atât este mai mare o forță care acționează asupra acelui lucru. Există o legătură profundă între reticența unui obiect de a fi accelerat și forța gravitațională care acționează asupra lui.
Să presupunem că duceți un sac de cartofi de 5 kilograme pe Lună. Nu întrebați de ce! Dacă sacul se simțea greu pe Pământ, el va fi mult mai ușor de ridicat pe Lună. Puteți explica de ce?
Toate lucrurile cântăresc mai puțin pe Lună pentru că atracția gravitațională la suprafața Lunii este mai slabă decât pe Pământ. Este aproximativ a 15-a față de cea de pe Pământ. Astfel, punga de cartofi de 5 kilograme are o forță de aproximativ 50 de newtoni care acționează asupra ei la suprafața Pământului și de aproximativ 10 newtoni pe Lună. Totul pare mai ușor. Acest lucru se datorează pur și simplu faptului că Luna are o masă mai mică decât cea a Pământului.
Cu toate acestea, există în continuare exact același număr de cartofi în pungă, deci este la fel de greu de accelerat. Masa de 5 kilograme nu s-a schimbat, dar forța gravitațională (și deci greutatea) da. Aici se află diferența. Forța depinde de gravitație; masa depinde doar de obiect. Luați în considerare forța necesară pentru a aduce un jucător de rugby care aleargă pe Pământ în interiorul unui metru. Aceeași forță ar fi necesară pentru a opri același jucător, care se deplasează cu aceeași viteză, la aceeași distanță, pe Lună. Vă confruntați în continuare cu oprirea aceleiași mase care se deplasează cu aceeași viteză.
Sublinierea esențială este că masa nu variază. Dacă ați măsura masa unui obiect aici, pe Pământ, și pe Lună, ați constata că este exact aceeași. Acest lucru este în concordanță cu bunul simț. Dacă duceți un obiect pe Lună, acesta este același obiect: Unele proprietăți ar trebui să rămână aceleași, iar masa este una dintre aceste proprietăți intrinseci.
Sacul de cartofi de 5 kilograme ar cântări aproximativ 120 de newtoni pe suprafața lui Jupiter (forța de gravitație de la suprafața lui Jupiter este de aproximativ 24 de newtoni pentru fiecare kilogram). Planetele mai masive decât Pământul au o gravitație de suprafață mai puternică. Stelele, de milioane de ori mai masive decât Pământul, au o gravitație de suprafață enormă. Găurile negre, atât de masive încât este aproape imposibil de imaginat, au o gravitație de suprafață atât de puternică încât până și razele de lumină sunt atrase spre interior. Acesta este motivul pentru care nu le putem vedea. Ele par a fi negre.
În cele din urmă, doar pentru a ne încurca pe toți, majoritatea cântarelor de zi cu zi nu vă dau o citire în newtoni. De exemplu, orice set de cântare de baie pe care este probabil să îl folosiți acasă va fi calibrat în kilograme (și pietre și lire!). În viața de zi cu zi, ne aflăm greutatea în kilograme. În contexte științifice, măsurăm forța în newtoni. Acesta este un bun exemplu de situație în care modul de a vorbi și de a gândi din viața de zi cu zi și cel științific diferă unul de celălalt.
Cântarul de la supermarket care vă spune că o pungă de banane cântărește 3 kilograme măsoară de fapt forța de susținere ca fiind de aproximativ 30 de newtoni și apoi o împarte la zece pentru a vă da masa bananelor ca fiind de 3 kilograme. Poate fi programat să facă acest lucru deoarece, pe Pământ, gravitația trage fiecare 1 kilogram în jos cu o forță de aproximativ 10 newtoni (de fapt, aproximativ 9,8 newtoni, dar 10 newtoni este suficient de aproape la acest nivel). Deci ceva care cântărește(având nevoie de o forță de susținere – compresie sau tensiune) aproximativ 30 de newtoni va avea o masă de aproximativ 3 kilograme.
.