Massa kontra vikt
I vanligt bruk kallas massan av ett föremål ofta som dess vikt , även om dessa i själva verket är olika begrepp och kvantiteter. Ändå kommer ett föremål alltid att väga mer än ett annat med mindre massa om båda är föremål för samma gravitation (dvs samma gravitationsfältstyrka ) .
I vetenskapliga sammanhang är massa mängden " materia " i ett objekt (även om "materia" kan vara svårt att definiera), men vikt är kraften som utövas på ett objekts materia av gravitationen . På jordens yta väger ett föremål vars massa är exakt ett kilogram ungefär 9,81 newton , produkten av dess massa och gravitationsfältets styrka där. Objektets vikt är mindre på Mars , där gravitationen är svagare; mer om Saturnus , där gravitationen är starkare; och mycket liten i rymden, långt ifrån betydande gravitationskällor, men den har alltid samma massa.
Materialobjekt på jordens yta har vikt trots att sådana ibland är svåra att mäta. Ett föremål som flyter fritt på vatten, till exempel, verkar inte ha vikt eftersom det är upplyft av vattnet. Men dess vikt kan mätas om den tillsätts vatten i en behållare som helt bärs upp av och vägs på en våg. Således överför det "viktlösa föremålet" som flyter i vatten faktiskt sin vikt till botten av behållaren (där trycket ökar). På samma sätt har en ballong massa men kan tyckas ha ingen vikt eller till och med negativ vikt, på grund av flytkraften i luften. Men vikten av ballongen och gasen inuti den har bara överförts till ett stort område av jordens yta, vilket gör vikten svår att mäta. Vikten av ett flygande flygplan fördelas på liknande sätt till marken, men försvinner inte. Om flygplanet är i plan flygning fördelas samma vikt-kraft till jordens yta som när planet var på landningsbanan, men spridd över ett större område.
En bättre vetenskaplig definition av massa är dess beskrivning som ett mått på tröghet , vilket är ett objekts tendens att inte ändra sitt nuvarande rörelsetillstånd (att förbli vid konstant hastighet) om det inte påverkas av en extern obalanserad kraft. Gravitations-"vikt" är den kraft som skapas när en massa påverkas av ett gravitationsfält och föremålet inte tillåts falla fritt, utan stöds eller fördröjs av en mekanisk kraft, såsom ytan på en planet. En sådan kraft utgör vikt. Denna kraft kan läggas till med vilken annan typ av kraft som helst.
Medan ett föremåls vikt varierar i proportion till gravitationsfältets styrka, är dess massa konstant, så länge som ingen energi eller materia tillförs föremålet. Till exempel, även om en satellit i omloppsbana (i huvudsak ett fritt fall) är "viktlös", behåller den fortfarande sin massa och tröghet. Följaktligen, även i omloppsbana, måste en astronaut som försöker accelerera satelliten i valfri riktning fortfarande utöva kraft och måste utöva tio gånger så mycket kraft för att accelerera en 10-tons satellit i samma takt som en med en massa på endast 1 ton.
Översikt
Massa är (bland andra egenskaper) en tröghetsegenskap ; det vill säga ett föremåls tendens att förbli vid konstant hastighet om det inte påverkas av en yttre kraft . Enligt Sir Isaac Newtons 336 år gamla rörelselagar och en viktig formel som härrörde från hans arbete, F = ma , accelererar ett föremål med massan, m , på ett kilogram , a , med en meter per sekund per sekund (ca. en tiondel av accelerationen på grund av jordens gravitation ) när den påverkas av en kraft, F , på en newton .
Tröghet ses när en bowlingklot skjuts horisontellt på en plan, slät yta och fortsätter i horisontell rörelse. Detta skiljer sig ganska mycket från dess vikt, som är den nedåtriktade gravitationskraften hos bowlingklot man måste motverka när man håller den från golvet. Vikten av bowlingklotet på månen skulle vara en sjättedel av den på jorden, även om dess massa förblir oförändrad. rekylkinetikens fysik (massa, hastighet, tröghet, oelastiska och elastiska kollisioner ) dominerar och gravitationens inverkan är en försumbar faktor, förblir objektens beteende konsekvent även där gravitationen är relativt svag. Till exempel skulle biljardbollar på ett biljardbord spridas och rygga tillbaka med samma hastigheter och energier efter ett pausskott på månen som på jorden; de skulle dock falla ner i fickorna mycket långsammare.
Inom de fysikaliska vetenskaperna är termerna "massa" och "vikt" strikt definierade som separata mått, eftersom de är olika fysiska egenskaper. I dagligt bruk, eftersom alla vardagsföremål har både massa och vikt och det ena är nästan exakt proportionellt mot det andra, tjänar "vikt" ofta till att beskriva båda egenskaperna, dess betydelse är beroende av sammanhanget. Till exempel i detaljhandeln hänvisar "nettovikten" av produkter faktiskt till massa, och uttrycks i massenheter som gram eller uns (se även Pund: Användning i handel ) . Omvänt belastningsindexvärdet på bildäck, som anger den maximala strukturella belastningen för ett däck i kilogram, till vikt; det vill säga kraften på grund av gravitationen. Före slutet av 1900-talet tillämpades inte distinktionen mellan de två strikt i teknisk skrift, så att uttryck som "molekylvikt" (för molekylvikt ) fortfarande ses.
Eftersom massa och vikt är separata kvantiteter har de olika måttenheter. I det internationella enhetssystemet (SI) är kilogram den grundläggande enheten för massa, och newton är den grundläggande enheten för kraft. Icke-SI kilogram-kraften är också en kraftenhet som vanligtvis används i måttet på vikt. På liknande sätt är avoirdupoisen dunkar , som används i både det kejserliga systemet och sedvanliga enheter i USA , en enhet av massa, och dess relaterade enhet av kraft är dunka -kraften .
Omvandla massenheter till ekvivalenta krafter på jorden
När ett föremåls vikt (dess gravitationskraft) uttrycks i "kilogram", syftar detta faktiskt på kilogram-kraften (kgf eller kg-f), även känd som kiloponden (kp), som är en icke- SI kraftenhet . Alla föremål på jordens yta utsätts för en gravitationsacceleration på cirka 9,8 m/s 2 . Generalkonferensen om vikter och mått fastställde värdet på standardgravitationen till exakt 9,80665 m/s 2 så att discipliner som metrologi skulle ha ett standardvärde för att omvandla enheter med definierad massa till definierade krafter och tryck . Sålunda definieras kilogramkraften som exakt 9,80665 newton. varierar gravitationsaccelerationen (symbol: g ) något med latitud , höjd och subsurface täthet; dessa variationer är vanligtvis bara några tiondels procent. Se även Gravimetri .
Ingenjörer och vetenskapsmän förstår skillnaderna mellan massa, kraft och vikt. Ingenjörer inom discipliner som involverar viktbelastning ( kraft på en struktur på grund av gravitation), såsom konstruktionsteknik , omvandlar massan av föremål som betong och bilar (uttryckt i kilogram) till en kraft i newton (genom att multiplicera med någon faktor runt 9,8; 2 signifikanta siffror är vanligtvis tillräckliga för sådana beräkningar) för att härleda objektets belastning. Materialegenskaper som elasticitetsmodul mäts och publiceras i termer av newton och pascal (en tryckenhet relaterad till newton).
Flytkraft och vikt
Vanligtvis är förhållandet mellan massa och vikt på jorden högst proportionellt; föremål som är hundra gånger mer massiva än en enliters läskflaska väger nästan alltid hundra gånger mer – ungefär 1 000 newton, vilket är den vikt man kan förvänta sig på jorden av ett föremål med en massa som är något större än 100 kilo. Ändå är detta inte alltid fallet och det finns välbekanta föremål som bryter mot denna mass/vikt- proportionalitet.
En vanlig heliumfylld leksaksballong är något som många känner till. När en sådan ballong är helt fylld med helium har den flytkraft — en kraft som motverkar gravitationen. När en leksaksballong blir delvis tömd, blir den ofta neutralt flytande och kan flyta omkring i huset en eller två meter från golvet. I ett sådant tillstånd finns det tillfällen då ballongen varken stiger eller faller och - i den meningen att en våg som placeras under den inte har någon kraft utövad på den - är på sätt och vis helt viktlös (faktiskt som nämnt nedan har vikten bara har omfördelats längs jordens yta så att den inte kan mätas). Även om gummit som utgör ballongen har en massa på bara några gram, vilket kan vara nästan omärkligt, behåller gummit fortfarande all sin massa när det blåses upp.
Återigen, till skillnad från den effekt som miljöer med låg gravitation har på vikten, gör inte flytkraften att en del av ett föremåls vikt försvinner; den saknade vikten bärs istället av marken, vilket gör att mindre kraft (vikt) appliceras på vilken våg som helst som är teoretiskt placerad under föremålet i fråga (även om man kanske kan ha lite problem med de praktiska aspekterna av att exakt väga något individuellt i det läget ). Om man däremot skulle väga en liten plaskdamm som någon sedan gick in i och började flyta i, skulle de upptäcka att personens fulla vikt bars av poolen och i slutändan vågen under poolen. Medan ett flytande föremål (på en korrekt fungerande våg för vägning av flytande föremål) skulle väga mindre, föremålet / vätskesystemet tyngre med värdet av föremålets fulla massa när föremålet väl har lagts till. Eftersom luft är en vätska, gäller denna princip även för objekt / luftsystem ; stora volymer luft – och i slutändan marken – stödjer den vikt en kropp förlorar genom flytkraft i luften.
Effekterna av flytkraft påverkar inte bara ballonger; både vätskor och gaser är vätskor inom de fysikaliska vetenskaperna, och när alla objekt i makrostorlek som är större än dammpartiklar är nedsänkta i vätskor på jorden, har de en viss grad av flytkraft. I fallet med antingen en simmare som flyter i en pool eller en ballong som flyter i luft, kan flytkraften helt motverka gravitationsvikten hos föremålet som vägs, för en våganordning i poolen. Men, som nämnts, skiljer sig ett föremål som stöds av en vätska i grunden inte från ett föremål som stöds av en sele eller kabel - vikten har bara överförts till en annan plats, inte fått den att försvinna.
Massan av "viktlösa" (neutralt flytande) ballonger kan uppskattas bättre med mycket större luftballonger. Även om ingen ansträngning krävs för att motverka deras vikt när de svävar över marken (när de ofta kan vara inom hundra newtons nollvikt), kan den tröghet som är förknippad med deras avsevärda massa på flera hundra kilo eller mer slå av fullvuxna män fötterna när ballongens korg rör sig horisontellt över marken.
Flytkraft och den resulterande minskningen av den nedåtriktade kraften hos föremål som vägs ligger till grund för Archimedes princip , som säger att flytkraften är lika med vikten av vätskan som föremålet förskjuter. Om denna vätska är luft kan kraften vara liten.
Luftens flyteffekt vid mätning
Normalt är effekten av luftflytkraft på föremål med normal densitet för liten för att ha någon som helst betydelse i dagliga aktiviteter. Till exempel är flytkraftens minskande effekt på ens kroppsvikt (ett föremål med relativt låg densitet) 1 ⁄ 860 av gravitationen (för rent vatten är det cirka 1 ⁄ 770 av gravitationen). Dessutom variationer i barometertryck sällan en persons vikt mer än ±1 del av 30 000. Inom metrologi (vetenskapen om mätning) tillverkas emellertid precisionsmassastandarderna för kalibrering av laboratorievågar och vågar med sådan noggrannhet att luftdensiteten tas med i beräkningen för att kompensera för flyteffekter. Med tanke på de extremt höga kostnaderna för platina-iridium massstandarder som den internationella prototypen av kilogram ( massastandarden i Frankrike som definierade storleken på kilogram), är högkvalitativa "arbetsstandarder" gjorda av speciella rostfria stållegeringar med densiteter på ca 8 000 kg/m 3 , som upptar större volym än de som är gjorda av platina-iridium, som har en densitet på ca 21 550 kg/m 3 . För enkelhetens skull utvecklades ett standardvärde för flytkraft i förhållande till rostfritt stål för metrologiarbete och detta resulterar i termen "konventionell massa". Konventionell massa definieras enligt följande: "För en massa vid 20 °C är 'konventionell massa' massan av en referensstandard med densitet 8 000 kg/m 3 som den balanserar i luft med en densitet på 1,2 kg/m 3 ." Effekten är liten, 150 ppm för massstandarder av rostfritt stål, men lämpliga korrigeringar görs under tillverkningen av alla precisionsmassastandarder så att de har den riktiga märkta massan.
Närhelst en högprecisionsvåg (eller våg) vid rutinmässig laboratorieanvändning kalibreras med standarder av rostfritt stål, kalibreras vågen faktiskt till konventionell massa; det vill säga verklig massa minus 150 ppm flytkraft. Eftersom föremål med exakt samma massa men med olika densitet förskjuter olika volymer och därför har olika flytkraft och vikt, får varje föremål som mäts på denna skala (jämfört med en massstandard av rostfritt stål) sin konventionella massa mätt ; det vill säga dess verkliga massa minus en okänd grad av flytkraft. Vid arbete med hög noggrannhet kan artikelns volym mätas för att matematiskt upphäva effekten av flytkraft.
Typer av vågar och vad de mäter
När man står på en våg av balansstråletyp på en läkarmottagning får de sin massa mätt direkt. Detta beror på att balanser ("dual-pan" mass comparators) jämför gravitationskraften som utövas på personen på plattformen med den på de glidande motvikterna på balkarna; gravitation är den kraftgenererande mekanismen som gör att nålen kan divergera från den "balanserade" (noll) punkten. Dessa balanser kunde flyttas från jordens ekvator till polerna och ge exakt samma mått, dvs de skulle inte falskt indikera att läkarens patient blev 0,3 % tyngre; de är immuna mot den gravitationsmotverkande centrifugalkraften på grund av jordens rotation kring sin axel. Men om du kliver på fjäderbaserade eller digitala lastcellsbaserade vågar (single-pan devices), får du din vikt (gravitationskraft) mätt; och variationer i gravitationsfältets styrka påverkar avläsningen. I praktiken, när sådana vågar används i handeln eller på sjukhus, justeras de ofta på plats och certifieras på grundval av detta, så att vikten de mäter, uttryckt i pounds eller kilogram, har den önskade noggrannhetsnivån.
Används inom handel i USA
I USA har USA:s handelsdepartement , Technology Administration och National Institute of Standards and Technology (NIST) definierat användningen av massa och vikt vid utbyte av varor enligt enhetliga lagar och förordningar inom områdena av juridisk metrologi och motorbränslekvalitet i NIST Handbook 130.
NIST Handbook 130 säger:
V. "Mass" och "Vikt". [ANMÄRKNING 1, se sidan 6]
Massan av ett föremål är ett mått på föremålets tröghetsegenskap, eller mängden materia det innehåller. Vikten av ett föremål är ett mått på den kraft som utövas på föremålet av tyngdkraften, eller den kraft som behövs för att stödja det. Tyngdkraften på jorden ger ett föremål en acceleration nedåt på cirka 9,8 m/s 2 . I handel och handel och dagligt bruk används termen "vikt" ofta som en synonym för "massa". Den "nettomassa" eller "nettovikt" som anges på en etikett indikerar att förpackningen innehåller en viss mängd vara exklusive förpackningsmaterial. Användningen av termen "massa" är dominerande över hela världen och blir allt vanligare i USA. (Tillagt 1993)
W. Användning av termerna "Mass" och "Weight." [ANMÄRKNING 1, se sidan 6]
När det används i denna handbok betyder termen "vikt" "massa". Termen "vikt" förekommer när tum-pund-enheter citeras, eller när både tum-pund- och SI-enheter ingår i ett krav. Termerna "massa" eller "massor" används när endast SI-enheter anges i ett krav. Följande anteckning förekommer där termen "vikt" först används i en lag eller förordning.
NOTERA 1: När det används i denna lag (eller förordning) betyder termen "vikt" "massa". (Se avsnitt V. och W. i avsnitt I., Introduktion, av NIST Handbook 130 för en förklaring av dessa termer.) (Tillagt 1993) 6"
Amerikansk federal lag, som ersätter denna handbok, definierar också vikt, särskilt nettovikt, i termer av avoirdupois pound eller mass pound. Från 21CFR101 del 101.105 – Deklaration av nettokvantitet av innehåll när undantaget [ permanent död länk ] :
a) Den huvudsakliga displaypanelen för ett livsmedel i förpackningsform ska ha en deklaration av nettoinnehållet. Detta ska uttryckas i termer av vikt, mått, numeriskt antal eller en kombination av numeriskt antal och vikt eller mått. Uppgiften ska vara i termer av vätskemått om livsmedlet är flytande, eller i termer av vikt om livsmedlet är fast, halvfast eller trögflytande, eller en blandning av fast och flytande; förutom att ett sådant uttalande kan vara i termer av torr mått om maten är en färsk frukt, färsk grönsak eller annan torr vara som vanligtvis säljs i torr mått. Om det finns en fast etablerad allmän konsumentbruk och handelssed att deklarera innehållet i en vätska i vikt, eller en fast, halvfast eller trögflytande produkt i vätskemått, får den användas. Närhelst kommissionären fastställer att en befintlig praxis att deklarera nettomängd innehåll i vikt, mått, numeriskt antal eller en kombination i fallet med ett specifikt förpackat livsmedel inte underlättar värdejämförelser för konsumenter och ger möjlighet till konsumentförvirring, kommer han att förordning anger den eller de lämpliga termerna som ska användas för sådan vara.
(b)(1) Uppgifter om vikt ska vara i termer av avoirdupois pund och uns.
Se även 21CFR201 Part 201.51 – "Deklaration av nettokvantitet av innehåll" för allmänna krav på märkning och receptmärkning.