admin
Базовая физика. Чем отличаются вес и масса. Невесомость
В тонкости (типа отличающегося g в разных местах Земли и прочего) мы вдаваться не будем. Отмечу, что всё это входит в школьный курс физики, поэтому если всё нижесказанное для вас очевидно, не ругайтесь на тех, кто не успел эти вещи понять, а заодно на тех, кто решил это в сотый раз объяснить. ) Я надеюсь, что найдутся люди, которым эта заметка пополнит их аппарат понимания окружающего мира.
Итак, поехали. Масса тела — мера его инертности.
То есть мера того, насколько трудно изменить скорость этого тела по модулю (разогнать или затормозить) либо по направлению. В системе СИ измеряется в килограммах (кг).
Обозначается обычно буквой m. Является неизменным параметром, что на Земле, что в космосе.
Сила тяжести, измеряется в системе СИ в Ньютонах (Н). Это сила, с которой Земля притягивает тело, и равная произведению m*g.
Коэффициент g равен 10 м/с2, называется ускорением свободного падения. С этим ускорением начинает двигаться тело относительно земной поверхности, лишённое опоры (в частности, если тело стартовало из неподвижного состояния, его скорость каждую секунду будет увеличиваться на 10 м/с).
А теперь рассмотрим тело массой m, неподвижно лежащее на столе. Для определённости пусть масса равна 1 кг.
На это тело вертикально вниз действует сила тяжести mg (собственно сама вертикаль определяется как раз направлением силы тяжести), равная 10 Н. В технической системе единиц эту силу называют килограмм-силой (кгс).
Стол не позволяет разгоняться нашему телу, действуя на него с силой N, направленной вертикально вверх (эту силу правильнее рисовать от стола, но чтобы линии не накладывались, нарисую тоже из центра тела):
N называется силой реакции опоры, уравновешивает силу тяжести (в данном случае равна по модулю тем же самым 10 Ньютонам), так что равнодействующая сила F (сумма всех сил) равна нулю: F = mg — N = 0.
А то, что силы уравновешены, мы видим из второго закона Ньютона F = m*a, согласно которому если ускорение тела a равно нулю (то есть оно либо покоится, как в нашем случае, либо движется равномерно и прямолинейно), то равнодействующая сила F тоже равна нулю.
Вот теперь можно наконец сказать, что такое вес — это сила, с которой тело действует на подставку или подвес. Согласно третьему закону Ньютона эта сила противоположна силе N и равна ей по модулю.
То есть в данном случае составляет те же 10 Н = 1 кгс. Вам, может быть, покажется, что всё это излишне сложно, и надо было сразу сказать, что вес и сила тяжести — одно и то же?
Ведь они совпадают и по направлению, и по величине.
Нет, на самом деле они отличаются существенно. Сила тяжести действует постоянно. Вес меняется в зависимости от ускорения тела.
Давайте приведём примеры.
1. Вы стартуете вверх на скоростном лифте (скоростном, чтобы фаза ускорения была эффектнее/заметнее). Ваша масса, скажем, 70 кг (вы можете пересчитать все числа ниже для вашей массы).
Ваш вес в неподвижном лифте (перед стартом) равен 700 Н (или 70 кгс). В момент разгона вверх результирующая сила F направлена вверх (именно она вас и разгоняет), сила реакции N превышает силу тяжести mg, и поскольку ваш вес (сила, с которой вы действуете на пол лифта) по модулю совпадает с N, вы испытываете так называемую перегрузку. Если бы лифт разгонялся с ускорением g, то вы бы испытали вес 140 кгс, то есть перегрузку 2g, в 2 раза превышающую вес в состоянии покоя.
На самом деле в штатном режиме таких перегрузок в лифтах не бывает, ускорение обычно не превышает 1 м/с2, что приводит к перегрузке всего 1.1g. Вес в нашем случае составит 77 кгс.
Когда лифт разогнался до нужной скорости, ускорение равно нулю, вес возвращается к начальным 70 кгс. При замедлении вес, напротив, уменьшается, и если ускорение при этом по модулю равно 1 м/с2, то перегрузка составит 0.9g.
При движении в обратную сторону (вниз) ситуация переворачивается: при разгоне вес уменьшается, на равномерном участке вес восстанавливается, при замедлении вес увеличивается.
2. Вы бежите, и ваш вес в состоянии покоя по-прежнему 70 кгс. В момент бега, когда вы отталкиваетесь от земли, ваш вес превышает 70 кгс. А пока вы летите (одна нога оторвалась от земли, другая — еще не коснулась), ваш вес равен нулю (поскольку вы не воздействуете ни на подставку, ни на подвес).
Это — невесомость. Правда, совсем короткая.
Таким образом, бег — это чередование перегрузок и невесомости.
Напомню, что сила тяжести во всех этих примерах никуда не девалась, не менялась, и составляла ваши "кровные" 70 кгс = 700 Н.
Теперь существенно удлиним фазу невесомости: представьте, что вы находитесь на МКС (международной космической станции). При этом мы не устранили силу тяжести — она по-прежнему действует на вас — но поскольку и вы, и станция находитесь в одинаковом орбитальном движении, то относительно МКС вы в невесомости. Можно представить себя где угодно в открытом космосе, просто МКС немного реалистичнее. )
Каким будет ваше взаимодействие с объектами? Ваша масса 70 кг, вы берёте в руку объект массой 1 кг, отбрасываете его от себя. В соответствии с законом сохранения импульса основную скорость получит 1-кг-объект, как менее массивный, и бросок будет примерно столь же "легким", как и на Земле.
Но если вы попытаетесь оттолкнуться от объекта массой 1000 кг, то вы фактически оттолкнете себя от него, поскольку основную скорость в этом случае получите вы сами, и для разгона своих 70 кг придётся развить бОльшую силу. Чтобы примерно это представить, каково это, можете подойти сейчас к стене и оттолкнуться от неё руками.
Теперь вы вышли из станции в открытый космос и хотите поманипулировать каким-то массивным объектом. Пусть его масса будет пять тонн.
Честно сказать, я бы прямо очень поостерегся управляться с пятитонным объектом. Да, невесомость и все дела. Но достаточно лишь небольшой его скорости относительно МКС, чтобы прижать вам палец или чего-то посерьёзнее.
Эти пять тонн сложно переместить: разогнать, остановить.
А уж представлять, как предложил один человек, себя между двумя объектами массой по 100 тонн и вовсе не хочется. Малейшее их встречное движение, и они вас с лёгкостью придавят. В полнейшей, что характерно, невесомости. )
Ну и наконец. Если вы будете весело лететь по МКС и ударитесь об стенку/переборку, то вам будет больно ровно так же, как если бы вы с той же скоростью бежали и ударились об стену/косяк в своей квартире. Потому что удар уменьшает вашу скорость (то есть сообщает вам ускорение со знаком минус), а ваша масса одинакова в обоих случаях.
А значит по второму закону Ньютона и сила воздействия будет соразмерна.
Радует, что в фильмах про космос ("Гравитация", "Интерстеллар", сериал "The Expanse") всё более реалистично (пусть и не без огрехов типа Джорджа Клуни, безнадёжно улетающего от Сандры Буллок) отображают базовые вещи, описанные в этом посте.
Резюмирую. Масса "неотчуждаема" от объекта.
Если объект сложно разогнать на Земле (особенно если вы постарались минимизировать трение), то его так же сложно разогнать и в космосе. А что касается весов, то когда вы на них становитесь, они просто измеряют силу, с которой их сдавливают, и для удобства отображают эту силу не в Ньютонах, а в кгс. Не дописывая при этом букву "с", чтобы вас не смущать. )
Вес и масса. Чем отличаются?
В чем разница?
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.
Вес и масса. Чем отличаются?
В чем разница?
- Масса измеряется в килограммах, а вес в ньютонах.
- Вес — это произведение массы на ускорение свободного падения (P = mg). Значение веса (при неизменной массе тела) пропорционально ускорению свободного падения, которое зависит от высоты над земной (или другой планеты) поверхностью. А если еще точнее, то вес — это частное определение 2-го закона Ньютона — сила равна произведению массы на ускорение (F=ma). Поэтому его и вычисляют в Ньютонах, как все силы.
- Масса — вещь постоянная, а вес – переменная и зависит, например, от высоты, на которой тело находится. Известно, что с увеличением высоты ускорение свободного падения падает, соответственно уменьшается и вес тела, при одних и тех же условиях измерения. Масса его остается постоянной.
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.
Вес и масса — различия в условиях невесомости.
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.
- В мире без притяжения Земли вес исчезает, а масса остается. Этим отличаются вес и масса.
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.
- В мире без тяжести, но с оставшейся массой, тела по инерции сохраняют не только состояние покоя, но и движения.
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.
- Итак, не будем смешивать две разные вещи: массу и вес – количество вещества, обладающего инерцией, и силу, с которой эту массу притягивает Земля. Напомним еще раз: в этом и заключается разница между весом и массой, именно этим отличаются масса и вес.
«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.
А в данной статье мы рассмотрели тему: Вес и масса. Чем отличаются?
В чем различие? Читайте далее… Притяжение Луны — меньше земного в 6 раз!
uCrazy.ru
Навигация
ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ
ОПРОС
СЕЙЧАС НА САЙТЕ
КАЛЕНДАРЬ
Сегодня день рождения
В чем разница между "массой" и "весом"?
В обыденной жизни "масса" и "вес" для большинства людей — это зачастую взаимозаменяемые термины, но с точки зрения науки — это совершенно разные понятия, имеющие свои четкие определения.
Масса — это количество материи, которое содержит объект. Однако, из-за двусмысленности, связанной с определением материи, такое определение вызывает много споров и критики.
Более простым и понятным способом определения понятия массы является ее представление с точки зрения инерции.
Инерция объекта — это его свойство оставаться в состоянии движения или покоя до тех пор, пока какая-то внешняя сила не изменит этого состояния.
Чем больше масса, тем труднее перемещать или останавливать движение тела.
Одной из характерных оcособенностей массы объекта является то, что она постоянна, независимо от его положения в пространстве. Согласно закону всеобщего тяготения, два объекта притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
При этом сама сила гравитационного притяжения не влияет на величину массы этих объектов.
Так, например, камень массой 60 кг на Земле будет иметь массу 60 кг на Марсе, Юпитере или любом другом уголке нашей бесконечной Вселенной. Здесь мы не рассматриваем эффекты, описываемые специальной теорией относительности, когда масса изменяется при движении по релятивистским скоростям близким к скорости света.
Рассмотрение этих эффектов выходит за рамки этой статьи.
Вес объекта указывает на то, насколько он тяжелый. Из-за этого вес и масса часто используются как синонимы.
Однако, технически вес представляет собой силу, которую массосодержащий объект оказывает на другое тело исключительно под действием силы тяжести.
В то время как масса не зависит от силы тяжести, вес является воплощением этой силы. Поскольку вес является силой, его единицей измерения является Ньютон.
Сила тяжести, действующая на тело, находящееся на поверхности Земли равна массе тела, умноженной на ускорение свободного падения (эта величина составляет 9,8 м/с2).
Для разных небесных тел величина ускорения свободного падения различна, так как она зависит от массы самого небесного тела. Например, на Луне ускорение свободного падения составляет 1,62 м/с2, поэтому все объекты на Луне весят приблизительно в шесть раз меньше, чем на Земле.
Таким образом, астронавт массой 90 кг весит 90*9,8=882 Ньютона на Земле, и он же будет весить 90*1,62=145,8 Ньютонов на Луне. Если астронавт будет находиться на более массивном объекте, таком как Юпитер или Сатурн, то его вес будет намного больше.
Обратите внимание, что масса астронавта остается неизменной (90 кг).
Однако, весы на Луне показали бы вовсе не 90 кг. Почему?
Весы — это прибор, который измеряет массу объекта по силе взаимодействия поверхностей соприкасающихся тел (нас и Земли). Эта сила называется нормальной силой.
Весы измеряют нормальную силу, создаваемую Землей, но отрегулированы таким образом, чтобы отображать на шкале в 9,8 раз меньше, таким образом на весах показывается приблизительная величина массы тела (m=F/g)
Измерение массы весовой шкалой, откалиброванной по отношению к гравитации Земли, приведет к ошибочным результатам на Луне или Марсе. Также весы становятся бесполезными в условиях свободного падения или в невесомости, поскольку при свободном падении весы падают с тем же ускорением, что и мы, при этом действие нормальной силы отсутствует и весы не производят измерения.
Вес и масса: разница с точки зрения науки
Современным юным физикам и не только часто приходится сталкиваться с различными понятиями. Нередко возникает вопрос, в чем разница между массой и весом. Действительно, многие их путают и неверно употребляют в предложениях, хотя они обозначают не совсем одно и то же.
Эти слова в некотором смысле являются синонимами. Так в чем разница веса и массы тела?
Общие понятия
Следует начать с определений интересующих нас слов. С точки зрения науки, вес – сила, с которой тело действует на опору, если она в горизонтальном положении, или подвес, если положение вертикальное. Масса же – физическая величина, измеряющая гравитационные и инертные свойства тел.
Первая разница веса и массы в том, что вес измеряется в Ньютонах, а масса в килограммах, согласно международной системе единиц.
В качестве примера, который поможет увидеть разницу двух понятий, можно привести даже человеческое тело. Если подпрыгнуть, то сразу же после отрыва от поверхности пола вес ваш будет стремительно уменьшаться вплоть до 0 (в самой верхней части траектории вы будете в невесомости, только этого не почувствуете). При этом масса ваша остается постоянной.
Теперь вы знаете, как быстро сбросить вес.
Или же, например, вес космонавта на Земле был один, на Луне он бы уменьшился почти в 6 раз, а на других планетах увеличился в десятки раз. Но все это время его масса бы ни на грамм не изменилась.
Еще разница веса и массы в том, что первое понятие зависит от движения (скорости), а второе – нет.
Математическое выражение
Существует даже формула зависимости этих двух понятий, с помощью которой вес можно найти через массу и наоборот:
где P – вес, m – масса тела, g – ускорение свободного падения.
Также существует закон сохранения массы, который гласит, что какие бы процессы ни происходили, какие бы силы к телам ни прикладывались, их масса всегда остается постоянной.
Более того, так как вес является силой, то он имеет направление. Масса же – величина количественная, и ни о каком направлении здесь речи быть не может.
Разница массы и веса
Существенное отличие между этими понятиями заключается в том, что масса объекта остается постоянной, а вот вес может изменяться в зависимости от условий, например, он может зависеть от высоты, с которой тело падает вниз.
Также в состоянии невесомости вес предметов может быть равен нулю, в то время как их масса вовсе не нулевая и даже у каждого своя.
Интересно, что из-за повседневного вращения Земли вокруг своей оси в некоторых местах наблюдается уменьшение широтного веса.
Наше время
Сейчас люди практически не видят разницу массы и веса. Типичным примером этого является любая покупка в магазине, когда покупатель спрашивает у продавца информацию о весе продукта.
С точки зрения науки, правильно было бы поинтересоваться его массой. Тем не менее на упаковках производитель указывает все как нужно.
Мы можем увидеть там такие надписи, как «масса нетто» (то есть масса чистого продукта) и «масса брутто» (масса продукта вместе с упаковкой). В результате этого масса и вес стали практически синонимами в потребительской сфере, и большинство людей искренне удивляются, когда кто-то пытается им доказать, что есть разница в массе и весе.
В настоящее время нет особых требований в том, чтобы каждый человек умел различать данные понятия. Скорее, это больше необходимо тем, кто занимается научной деятельностью.