تفاوت جرم و وزن

بررسی اجمالی

جرم (در میان دیگر خاصیت‌ها) یک خاصیت لختی گونه است؛ به عبارت دیگر، تمایل یک شی به سرعت ثابت باقی می‌ماند مگر اینکه یک نیروی خارجی به شی اعمال شود. طبق قوانین حرکتی 332 ساله سر آیزاک نیوتون و یک فرمول مهم که از کار او حاصل شد، F = ma, یک جسم با جرم، m، یک کیلوگرم شتاب، A، اگر با شتاب یک متر مجذور ثانیه (حدود یک دهم شتاب به دلیل گرانش زمین) حرکت کند توسط یک نیروی F، از یک نیوتون بهره برده‌است.
اینرسی زمانی حس و دیده می‌شود (یا مشاهده می‌شود) که یک توپ بولینگ روی سطح افقی، سطحی صاف هل داده شود و به حرکت افقی ادامه می‌دهد. این رفتار کاملاً جدا و متفاوت از وزن آن است، که نیروی گرانشی توپ بولینگ به سمت پایین است که باید آن را به طرف پایین و روی سطح نگه دارد. وزن توپ بولینگ در ماه یک ششم وزن آن بر روی زمین است، هر چند جرم آن بدون تغییر است. درنتیجه، هر زمان که فیزیک انرژی جنبشی (جرم، سرعت، لختی، برخورد کشسان و غیرکشسان) تسلط پیدا کند تأثیر گرانش یک عامل بسیار ناچیزی است، رفتار اجسام حتی در جایی که گرانش نسبتاً ضعیف است، پایدار است. به عنوان مثال، توپ‌های بیلیارد در یک میز بیلیارد، روی زمین پس از پراکنده شدن با همان سرعت و انرژی پراکنده خواهند شد که روی ماه پراکنده می‌شوند؛ با این حال، در ماه به نسبت زمین بسیار آرامتر در جیب قرار می‌گیرند.
در دانشهای مربوط به فیزیک، واژه‌های «جرم» و «وزن» به راه‌های جداگانه تعریف می‌شوند، زیرا خاصیت‌های فیزیکی آن‌ها متفاوت هستند. در استفاده روزانه، همانطور که همهٔ اجسام روزمره هر دو وزن و جرم دارند و یکی به‌طور مزدیک بیشتر از دیگری کاربرد دارد، «وزن» اغلب به توصیف هر دو خاصیت جرم و وزن، اطلاق می‌شود و معنی آن به متنی که در آن استفاده شده‌است بستگی دارد. برای مثال، در تجارت خرده فروشی، «وزن خالص» محصولات در واقع به جرم اشاره دارد و در واحدهای جرم مانند گرم یا اونس بیان می‌شود (همچنین پوند: استفاده در تجارت). در مقابل، شاخص جرم بار در لاستیک‌های خودرو، که حداکثر بار سازنده برای یک تایر در کیلوگرم را مشخص می‌کند، به وزن اشاره دارد؛ یعنی نیروی ناشی از گرانش. پیش از اواخر قرن بیستم تفاوت بین این دو به‌طور دقیق در نوشتن فنی اعمال نشد، به صورتی که اصطلاحاتی مانند «وزن مولکولی» (برای جرم مولکولی) همچنان مشاهده می‌شود.
از آنجایی که جرم و وزن مقادیر متفاوتی ای است، آن دو واحدهای اندازه‌گیری مختلفی دارند. در سیستم بین‌المللی سیستم (SI) کیلوگرم واحد جرم است و نیوتن واحد نیرو می‌باشد. نیروی کیلوگرمی بجز SI همچنین یک واحد نیروی است که معمولاً در اندازه‌گیری وزن مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین ترتیب، پوند وزنی که در سیستم امپریال و واحدهای عادی آمریکا استفاده می‌شود، یک واحد جرم است و واحد نیروی مرتبط آن نیروی پوند است.

تبدیل واحدهای جرم به نیروهای همجنس بر روی زمین

وقتی که وزن جسم (نیروی گرانشی آن) در «کیلوگرم» ابراز یا بیان می‌شود، این در واقع اشاره ای به نیروی کیلوگرمی (kgf یا kg-f) است، به علاوه به عنوان کیلوپوند (kp) شناخته و معلوم می‌شود، که یک نیروی غیر SI است. تمام اجسام روی سطح زمین به شتاب گرانشی تقریباً ۹٫۸ می‌رسند متر / ثانیه ² کنفرانس عمومی وزن و اندازه‌گیری اندازهٔ گرانش استاندارد را دقیقاً به ۹٫۸۰۶۶۵ ثابت کرد m / s ² به طوری که رشته‌هایی مانند مترولوژی یک مقدار استاندارد برای تبدیل واحدهای جرم تعریف شده به نیروها و فشارهای تعریف شده داشته باشند. پس نیرو-کیلوگرم به صورت دقیق ۹٫۸۰۶۶۵ نیوتن تعریف می‌شود. در واقع، شتاب گرانشی (نماد: g) کمی با تغییر عرض جغرافیایی، ارتفاع و تراکم زیر/ زمین تغییر خواهد کرد؛ این تغییرات اغلب فقط چند دهم درصد است. برای اطلاعات بیشتر گراویمتری را مشاهده کنید.
مهندسان و دانشمندان تفاوت میان جرم، نیرو و وزن را درک می‌کنند. مهندسان در رشته‌هایی که دارای بارگذاری وزن (نیرویی بر ساختار ناشی از گرانش) می‌شوند، مانند مهندسی ساختاری، جرم اجسامی مانند بتن و ماشین‌ها (در کیلوگرم) را به یک نیروی در نیوتون بدل می‌کنند (با ضرب چند فاکتور در حدود ۹/۸؛ ۲ ارقام قابل توجه اغلب برای چنین محاسباتی کافی است) برای استخراج بار جسم. خاصیت‌های مواد مثل مدول الاستیک توسط نیوتون و پاسکال اندازه‌گیری و نشر داده می‌شود (یک واحد فشار مربوط به نیوتن).

شناوری و وزن

معمولاً رابطه بین جرم و وزن روی زمین بسیار متناسب است؛ اشیاء که صد بار بزرگتر از بطری یک لیتر نوشابه هستند، تقریباً همیشه ۱۰۰ بار وزن دارند - تقریباً ۱۰۰۰ نیوتن، که وزن آن می‌تواند بر روی زمین از یک جسم با جرم کوچکی بیش از ۱۰۰ کیلوگرم باشد. با این حال، این مورد همیشگی نیست و اشیا خودمانی ای وجود دارد که از این تناسب جرم به وزن تجاوز می‌کند.
یک بالون اسباب بازی پر از هلیوم برای بسیاری آشناست. وقتی که چنین بادکنکی به‌طور کامل با هلیوم پر شده‌است، آن دارای شناوری است - نیرویی است که مخالف گرانش است. هنگامی که یک بادکنک اسباب بازی تا حدودی خالی می‌شود، آن معمولاً بی طرفانه شناور می‌شود و می‌تواند تود خانه از روی زمین یک یا دو متر شناور بالا بماند و گذر کند. در چنین وضعیتی، لحظاتی وجود دارد که بالون نه بالا می‌رود و نه پایین می‌آید، و به این معنا که مقیاس زیر آن هیچ نیرویی به بالون اعمال نمی‌کند، و به هیچ وجه کاملاً بی وزن نیست (در واقع همان‌طور که در بالا ذکر شد وزن تنها در سطح زمین مجدداً توزیع می‌شود تا اندازه‌گیری آن که دیگر قابل اندازه‌گیری نیست). اگرچه لاستیک حاوی بالون دارای یک جرم تنها چند گرم است که ممکن است تقریباً قابل چشم پوشی باشد، لاستیک هنوز هم تمام جرم خود را حفظ می‌کند.
دوباره، بر خلاف تأثیری که محیط‌های کم جاذبه بر روی وزن دارند، نیروی شناوری یک بخش از وزن یک شیء را ناپدید نمی‌کند؛ وزن از دست رفته به جای آن توسط زمین تحمل می‌شود، که به صورت تئوری نیروی (وزن) کمتری را به پایین جسم وارد می‌کند (هرچند امکان دارد شخصی با توزین این شی به درستی و به دقت به صورت عملی در این شرایط مشکل داشته باشد) با این حال در صورتی که یک استخر کوچکی را که یک فرد وارد آن شده و شروع به شناور شدن کند، وزن کنند، آنها متوجه شدند که وزن کامل فرد توسط استخر و در نهایت مقیاس زیر استخر محفوظ است. در صورتی که یک شیء شناور (در یک مقیاس کار درست برای وزن کردن اشیاء شناور) کمتر وزن دارد، هنگامی که شی اضافه می‌شود، سیستم شی / سیال با مقدار مجموع جرم جسم سنگین تر می‌شود. از آنجایی که هوا یک شاره است، این اصل نیز در مورد سیستم‌های جسم / هوا وارد می‌شود؛ حجم زیادی از هوا و در نهایت زمین - از وزنی که از طریق هوا شناور میانه ای از دست می‌رود بدن پشتیبانی می‌کند.
اثرهای شناوری فقط بر بالن تأثیر نمی‌گذارد؛ هر دو مایع‌ها و گازها در دانش‌های مربوط به فیزیک سیالات هستند، و زمانی که همه ماکرو ‑ اندازه اجسام بزرگتر از ذره‌های گرد و غبار در مایعات بر روی زمین غوطه ور هستند، آنها بعضی از درجه ای از شناوری دارند. در مورد یک شناگر شناور در یک استخر یا بالون شناور در هوا، شناوری می‌تواند به‌طور کامل با وزن گرانشی جسم در حال جابجایی، برای یک دستگاه توزین در استخر، مقابله کند. با این حال، همان‌طور که اشاره شد، یک شیء که توسط یک مایع پشتیبانی می‌شود، اساساً با یک شیء پشتیبانی شده توسط یک طناب یا کابل، متفاوت نیست، وزن فقط به مکان دیگری منتقل شده‌است، و نه اینکه ناپدید شده باشد.
بالن‌های بادوام «بدون وزن» (شناور خنثی) باید بهتر از بالن‌های هوای بسیار بزرگ قدردانی شوند. هرچند که برای مقابله با وزن خود در هنگام فرود بر روی زمین (زمانی که آنها اغلب می‌تواند در یک صد نیوتون از وزن صفر باشد) هیچ تلاشی برای مقابله با این وزن نباشد، اینرسی با وزن قابل توجه خود چند صد کیلوگرم یا بیشتر می‌تواند مردان بالغ را هنگامی که سبد بالون در حال حرکت به صورت افقی بر روی زمین است به زمین بکوبد.
شناور شدن و در نتیجه کاهش نیروی وزن روبه پایین اشیاء، تأکید بر اساس اصل ارشمیدس است که بیان می‌کند نیروی شناوری برابر با وزن مایع است که جسم جابجا می‌شود. اگر این سیال هوا باشد، نیرو می‌تواند کوچک باشد.

اثرات شناوری هوا بر اندازه‌گیری

به‌طور معمول، اثر شناوری هوا بر روی اشیاء با چگالی نرمال بسیار کوچک است تا از نتایج آن در فعالیت‌های روزمره استفاده شود. به عنوان مثال، اثر کاهش شناوری بر وزن بدن (جسم با چگالی کم نسبتاً) ۱/۸۶۰ گرانش است (برای آب خالص آن را در مورد از ۱/۷۷۰گرانش است). علاوه بر این، تغییرات فشار فشارسنج به ندرت بر وزن فرد بیش از ± ۱ قسمت در ۳۰٬۰۰۰ تأثیر می‌گذارد. با این حال، در مترولوژی (علم اندازه‌گیری)، استانداردهای جرم دقیق برای کالیبراسیون مقیاس و تعادل آزمایشگاهی با دقت بسیار بالا ساخته می‌شود که تراکم هوا برای جبران اثرات شناوری تعیین می‌شود. با توجه به هزینه بسیار بالایی از پلاتین - ایریدیم استانداردهای از جرم مانند نمونه اولیه کیلوگرم بین‌المللی (استاندارد جرم در فرانسه که برحسب کیلوگرم تعریف شده)، با کیفیت بالا «کار» استانداردها خاص ساخته شده از فولاد ضدزنگ آلیاژ با تراکم از حدود 8000 kg / m ³، که حجم بیشتری را نسبت به ساخته شده از پلاتین-ایریدیوم اشغال کرده و دارای تراکم حدود ۲۱،550 kg / m ۳ را انجام می‌دهند. برای راحتی، یک مقدار استاندارد از شناور نسبت به فولاد ضدزنگ برای کار مترولوژی توسعه داده شد و این به معنای «جرم مورد قبول عامه» است. جرم متعارف به شرح زیر تعریف شده‌است: "برای جرم در ۲۰ °C، 'جرم متعارف' جر یک استاندارد مرجع از تراکم ۸٬۰۰۰ است kg / m ³ که در هوا با تراکم ۱٫۲ آن تعادل دارد کیلوگرم / متر 3. " این اثر کوچک، ۱۵۰ است ppm برای استانداردهای توده ای از جنس استنلس استیل، اما اصلاحات مناسب در طول تولید تمام استانداردهای توده دقت ساخته شده‌اند تا تودهٔ علامت گذاری شده درست باشد.

هر زمان که یک مقیاس با دقت بالا (یا تعادل بالا) در استفاده از آزمایش‌ها معمول استفاده می‌شود و با استفاده از استانداردهای فولاد ضدزنگ، همان مقیاس متعارف و مورد قبول همه اندازه‌گیری شود؛ در واقع اندازه ای که بدست می‌آوریم برابر با جرم واقعی جسم منهایی 150 ppm بعلت شناوری خواهد بود. از آنجا که اشیاء با دقیقاً همان جرم، اما با چگالی‌های مختلف حجم‌های مختلفی را اشغال می‌کنند و در نتیجه وزن و شناوری مختلفی دارند، هر شی اندازه‌گیری شده در این مقیاس (در مقایس یک استاندارد جامد ضدزنگ) جرم متعارف مخصوص خود را در اندازه‌گیری نشان خواهد داد؛ بدین معنی که جرم واقعی آن منهای درجه ناشناخته ای شناوری است. در کار با دقت بالا، حجم شی را می‌توان به صورت ریاضی محاسبه اثر شناوری. 

هنگامی که یک نفر در یک ترازو در یک دفتر دکتر قرار می‌گیرد، ترازو جرم آنها به صورت مستقیم اندازه‌گیری می‌کنند. این به این دلیل است که تعادل (مقادیر جرمی دوگانه) مقادیر نیروی گرانشی را که بر روی پلت فرم با آن بر روی وزنه بر روی پرتوها قرار می‌گیرد مقایسه می‌کند؛ گرانش مکانیسم نیروی تولید است که اجازه می‌دهد سوزن از «نقطهٔ تعادل» (نقطه صفر) جابجا شود. این تعادل می‌تواند از استوای زمین به قطب‌ها منتقل شود و دقیقاً همان اندازه را نشان دهد، یعنی به‌طور جعلی نباید نشان دهد که بیمار دکتر ۰٫۳٪ سنگین تر شده‌است؛ آنها به دلیل چرخش زمین در اطراف محور خود از نیروی گریز از مرکز علیه جاذبه مصون هستند. اما اگر شما بر روی ترازوی فنری یا دیجیتال گام لودسل مبتنی بر مقیاس (دستگاه‌های تک PAN)، شما در حال اندازه‌گیری وزن خود (نیروی گرانشی) هستید؛ و تغییرات در قدرت میدان گرانشی روی وزن خواند ه شده روی ترازو تأثیر می‌گذارد. در عمل، زمانی که چنین مقیاس‌هایی در تجارت یا بیمارستان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، اغلب آنها در محل و بر اساس آن تأیید می‌شوند، به طوری که جرم آنها، بیان شده در پوند یا کیلوگرم، در سطح مورد نیاز و طلب شده دقت کافی را دارا است.