Масса и вес. Вес и масса. Наверное, чаще всего эти два совершенно разные понятия сравниваются, а то вообще принимаются за одно и тоже. Ведь действительно мы говорим: «Сколько ты весишь?», когда, по сути, имеем ввиду только количественные свойства нашего тела, не особо задумываясь о каких-то других дополнительных взаимодействиях, которые могут подразумевать такие неоднозначные словообразования. Поэтому, чтобы не путаться в определениях, лучше всего разобраться, почему же масса весом быть не может.
Те цифры, которые появляются на весах после того, как, например, туда положили кулек с клубникой или попытались уместить кита, не только помогают определить, сколько денег нужно заплатить за вкусные ягоды или же узнать, правда ли кит такой большой, как о нем говорят, но и выявить многие другие особенности.
Если утверждать научным языком, то масса – это физическая величина , которая является меркой гравитации тела, энергии и инертности, что естественно влечет за собой определенные характеристики с точки зрения классической механики:
В то же самое время, любое тело может гравитационно взаимодействовать с другими телами. Такая особенность называется гравитационной массой, которая получила свою главную формулировку при изучении силы притяжения. Гравитационное взаимодействие двух тел прямо пропорционально произведению их масс.
Эйнштейн доказал, что любое тело, у которого есть масса, имеет и свой запас энергии (E). Если уменьшается или увеличивается масса, то же самое происходит и с энергией — E = mс²
, где с — скорость света.
Вес (P) – это измерение ни что иного, как силы, с которой тело воздействует на опору, как результат притяжения Земли. Причем, если эта самая опора пребывает в спокойствии или движется равномерно прямолинейно, тогда вес равен силе притяжения – P = mg, где m – масса тела, g ≈ 9,81 – ускорение свободного падения.
Проще говоря, вес измеряет, как сильно мы давим на поверхность того, где стоим или сидим.
Если тело движется с ускорением, тогда и вес будет определяться с его учетом: P = m(g+a) — во время движения вертикально вверх, P = m(g-a) — вертикально вниз.
Перевес (увеличение веса) – довольно интересное явление, так как может влиять на состояние человека: наблюдается кратковременный упадок зрения, утрудненное дыхание. Перевес случается с космонавтами во время взлета и посадки космического корабля, с летчиками, которые делают маневры (мертвые петли).
Невесомость – это состояние тела, при котором вес равен нулю, из-за того, что сила притяжения придает телу и его опоре одинаковое ускорение. Так для космонавта «исчезает» вес во время пребывания на орбите. Чтобы ощутить подобное, можно просто подпрыгнуть. Тогда не будет под ногами опоры.
Итак, масса весом быть не может потому что:
Понятие, с которым мы знакомы с самого раннего детства, - масса. И все же в курсе физики с ее изучением связаны некоторые трудности. Поэтому нужно четко определить, Как ее можно узнать? И почему она не равна весу?
Естественнонаучный смысл этой величины в том, что она определяет количество вещества, которое содержится в теле. Для ее обозначения принято использовать латинскую букву m. Единицей измерения в стандартной системе является килограмм. В задачах и повседневной жизни часто используются и внесистемные: грамм и тонна.
В школьном курсе физики ответ на вопрос: «Что такое масса?» дается при изучении явления инерции. Тогда она определяется, как способность тела сопротивляться изменению скорости своего движения. Поэтому массу еще называют инертной.
Во-первых, это сила, то есть вектор. Масса же является скалярной веса всегда приложен к опоре или подвесу и направлен в ту же сторону, что и сила тяжести, то есть вертикально вниз.
Формула для вычисления веса зависит от того, движется ли эта опора (подвес). В случае покоя системы используется такое выражение:
Р = m * g, где Р (в английских источниках используется буква W) — вес тела, g — ускорение свободного падения. Для земли g принято брать равным 9,8 м/с 2 .
Из нее может быть выведена формула массы: m = Р / g.
При движении вниз, то есть в направлении действия веса, его значение уменьшается. Поэтому формула принимает вид:
Р = m (g - а). Здесь «а» — это ускорение движения системы.
То есть при равенстве этих двух ускорений наблюдается состояние невесомости, когда вес тела равен нулю.
Когда тело начинает двигаться вверх, то говорят об увеличении веса. В этой ситуации возникает состояние перегрузки. Потому что вес тела увеличивается, а формула его будет выглядеть так:
Р = m (g + а).
Решение. 800 кг/м 3 . Для того чтобы воспользоваться уже известной формулой, нужно знать объем пятна. Его легко вычислить, если принять пятно за цилиндр. Тогда формула объема будет такой:
V = π * r 2 * h.
Причем r — это радиус, а h — высота цилиндра. Тогда объем получится равным 668794,88 м 3 . Теперь можно сосчитать массу. Она получится такой: 535034904 кг.
Ответ: масса нефти приблизительно равна 535036 т.
Задача № 5. Условие: Длина самого длинного телефонного кабеля равна 15151 км. Чему равна масса меди, которая пошла на его изготовление, если сечение проводов равно 7,3 см 2 ?
Решение. Плотность меди равна 8900 кг/м 3 . Объем находится по формуле, которая содержит произведение площади основания на высоту (здесь длину кабеля) цилиндра. Но сначала нужно перевести эту площадь в квадратные метры. То есть разделить данное число на 10000. После расчетов получается, что объем всего кабеля приблизительно равен 11000 м 3 .
Теперь нужно перемножить значения плотности и объема, чтобы узнать, чему равна масса. Результатом оказывается число 97900000 кг.
Ответ: масса меди равна 97900 т.
Задача № 6. Условие: Самая большая свеча массой 89867 кг была диаметром 2,59 м. Какой была ее высота?
Решение. Плотность воска — 700 кг/м 3 . Высоту потребуется найти из То есть V нужно разделить на произведение π и квадрата радиуса.
А сам объем вычисляется по массе и плотности. Он оказывается равным 128,38 м 3 . Высота же составила 24,38 м.
Ответ: высота свечи равна 24,38 м.
Масса и вес – синонимы, но не абсолютные. Масса – это физическая величина, определяющая инертные и гравитационные свойства тел. Масса определяет количество вещества в предмете. Вес – это сила, с которой объект давит на опору или растягивает подвес.
Мы ответили на вопрос: «масса и вес – чем отличаются?». Для лучшего понимания темы рассмотрим на примере, в чем различие веса и массы. Для этого приглядимся пристальнее к нашему миру, в котором исчезла сила притяжения Земли .
Пусть в нашем мире без тяжести стоит на рельсах большой груженый вагон и пусть трение в его колесах будет возможно меньшим – сделаны шариковые подшипники и идеально гладкие рельсы. Как вы думаете, легко ли будет здесь сдвинуть такой вагон с места и разогнать его до большой скорости? А если он движется, легко ли будет быстро остановить его?
Оказывается, для этого все же нужна порядочная сила. Как же так, почему? – спросите вы. Ведь вагон ничего не весит и мы только что видели, что его можно без труда держать на плечах? Да, но держать поднятый предмет неподвижно – одно дело, а сдвинуть его с места, привести в движение и увеличивать скорость (сообщать ускорение) – другое. Первое зависит от веса, то есть силы притяжения Земли, а второе – от массы.
Находясь в мире без тяжести, мы заметили бы одно важное обстоятельство. Мы сами и все предметы от толчков взлетают здесь вверх. Но предметы малой массы – карандаши, посуда, книги – взлетают от слабых толчков и со значительным ускорением. А чтобы сдвинуть и заставить летать массивный шкаф или заводской станок, нужна гораздо большая сила, да и скорость их будет увеличиваться очень медленно.
Вспомните слесаря в депо. Ему удалось, толкая снизу, заставить локомотив подняться над полом. Но как медленно отделялись от рельсов колеса и с какой малой скоростью поплыла вверх массивная машина. При этом, чтобы ускорить движение, надо было напрягаться изо всех сил. Нелегко и остановить устремляющуюся вверх громадину, а затем направить ее обратно, вниз. Так же трудно разогнать здесь или остановить вагон, потерявший вес, но сохранивший свою огромную массу.
Хорошо, что, оттолкнувшись от пола и взлетев вверх, вы ударились о потолок и ваше движение остановилось. Случись это на улице, вы по инерции полетели бы все дальше от Земли в мировое пространство.
Наблюдая хаос, царящий в комнате или на улице, мы замечаем, что предметы малой массы, например ваши ботинки или овощи из ларька, носятся с большой скоростью. Массивные же шкафы или грузовые автомашины медленно плывут между ними. Тут, собственно, важно было большее или меньшее ускорение, которое сообщило этим различным массам действие даже одинаковых сил. Ведь тот же тепловоз разгонит 20 вагонов скорей и до большей скорости, чем поезд, состоящий из 50 вагонов.
Витая по комнате, остерегайтесь столкнуться с летящим вам навстречу роялем: хотя он ничего и не весит, но имеет большую массу и может ударить вас с изрядной силой.
«Миров без тяжести» в природе нет – мы могли только вообразить Землю, переставшую притягивать. Но во Вселенной есть миры «малой и большой тяжести» - небесные тела, притягивающие с различной силой.
Масса человека на разных планетах остается той же, а вес меняется в зависимости от силы притяжения. Так, например, если вес космонавта на земле 80 кг, то его вес на орбите будет почти нулевой, на Луне он бы весил меньше 15 кг, а вот на Юпитере - почти 200 кг. При этом его масса во всех случаях остается неизменной. Эта тема раскрывается в следующих статьях.
В некоторых случаях сила тяжести и вес объекта равны по своему значению. Из-за этого может возникнуть ложное впечатление, что между данными величинами нет разницы. Попытаемся развеять подобные предположения и рассмотрим, чем отличается сила тяжести от веса тела.
Силой тяжести называют величину, отражающую притягивающее действие Земли на объект, расположенный близко к ее поверхности.
Сила тяжести
Вес тела рассматривают как силу, исходящую от предмета в отношении его опоры или верхнего крепления (например, нити или пружины).
Вес тела Разобраться, в чем состоит отличие силы тяжести от веса тела, легче на конкретном примере. Так, лежащая на полке книга подвергается воздействию силы тяжести. Последняя приложена непосредственно к телу. Подобное явление гравитационной природы характеризуется взаимодействием предмета и Земли.
В то же время полка испытывает вес книги. Речь здесь идет о силе, которая направлена на опору. Взаимодействуют в нашем примере книга и полка, хотя причиной существования веса также является притяжение Земли. Если опору убрать, предмет будет свободно падать. При этом вес исчезнет и останется лишь сила тяжести, которая постоянно действует на тела, но может компенсироваться другими силами, например архимедовой.
Важно, что обе величины являются векторными. Но сила тяжести при любом размещении тела направлена вниз. Однако в случае с весом ключевое значение имеет положение в пространстве опоры. Такая сила всегда направлена перпендикулярно ей. Исследуемые величины совпадают по вектору только при условии, что опора, испытывающая вес, находится в горизонтальной плоскости.
Рассматривая, в чем разница между силой тяжести и весом тела, стоит подчеркнуть, что вторая из данных величин зависит от того, движется ли предмет и наблюдается ли при этом ускорение. Только если тело находится в покое или перемещается равномерно, вес не отличается по значению от силы тяжести. При других условиях равенство между величинами отсутствует. Например, вес в набирающем скорость лифте отличается от того, что был до отправки устройства и совпадал с силой тяжести.
В жизни мы очень часто говорим: «вес 5 килограмм», «весит 200 грамм» и так далее. И при этом не знаем, что допускаем ошибку, говоря так. Понятие веса тела изучают все в курсе физики в седьмом классе, однако ошибочное использование некоторых определений смешалось у нас настолько, что мы забываем изученное и считаем, что вес тела и масса это одно и то же.
Однако это не так. Более того, масса тела величина неизменная, а вот вес тела может меняться, уменьшаясь вплоть до нуля. Так в чем же ошибка и как говорить правильно? Попытаемся разобраться.
Масса это мера инертности тела, это то, каким образом тело реагирует на приложенное к нему воздействие, либо же само воздействует на другие тела. А вес тела это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес под влиянием притяжения Земли.
Масса измеряется в килограммах, а вес тела, как и любая другая сила в ньютонах. Вес тела имеет направление, как и любая сила, и является величиной векторной. А масса не имеет никакого направления и является величиной скалярной.
Стрелочка, которой обозначается вес тела на рисунках и графиках, всегда направлена вниз, так же, как и сила тяжести.
Формула веса тела в физике записывается следующим образом:
где m - масса тела
g - ускорение свободного падения = 9,81 м/с^2
Но, несмотря на совпадение с формулой и направлением силы тяжести, есть серьезное различие между силой тяжести и весом тела. Сила тяжести приложена к телу, то есть, грубо говоря, это она давит на тело, а вес тела приложен к опоре или подвесу, то есть, здесь уже тело давит на подвес или опору.
Но природа существования силы тяжести и веса тела одинакова притяжение Земли. Собственно говоря, вес тела является следствием приложенной к телу силы тяжести. И, так же как и сила тяжести, вес тела уменьшается с увеличением высоты.
В состоянии невесомости вес тела равен нулю. Тело не будет давить на опору или растягивать подвес и весить ничего не будет. Однако, будет по-прежнему обладать массой, так как, чтобы придать телу какую-либо скорость, надо будет приложить определенное усилие, тем большее, чем больше масса тела.
В условиях же другой планеты масса также останется неизменной, а вес тела увеличится или уменьшится, в зависимости от силы притяжения планеты. Массу тела мы измеряем весами, в килограммах, а чтобы измерить вес тела, который измеряется в ньютонах, можно применить динамометр специальное устройство для измерения силы.
