משקל (פיזיקה)

משקל (באנגלית: Weight) של גוף מוגדר (אופרטיבית) כתוצאה של שקילת הגוף; השקילה נעשית על ידי תליית הגוף על דינמומטר (מד-כוח); הוריית הדינמומטר היא גודל המשקל, והכיוון שעליו מתייצב הדינמומטר הוא כיוון המשקל. המדידה צריכה להתבצע בתנאים שבהם הכוח היחיד הפועל על הגוף, מלבד הכוח שמפעיל עליו הדינמומטר, הוא כוח הכבידה. אפשר לשקול גוף גם באמצעות מאזניים מהסוג שיש להם משטח עליון שעליו מניחים את הגוף הנשקל (כדוגמת מאזני אדם). במערכת היחידות הבין-לאומית (SI) משקל נמדד ביחידה ניוטון. מסה של גוף היא תכונה פנימית שלו, והיא אינה תלויה במערכת הייחוס (להוציא אפקטים יחסותיים). מסה נמדדת ביחידות SI בקילוגרמים. משקל הוא כוח הפועל על הגוף ותלוי במסתו ובכוח הכבידה שמתקיימת במערכת הייחוס, הוא נמדד ביחידות ניוטון. המסה קובעת גם את ההתמד של גוף, באופן שאינו תלוי במשקל. המסה היא סקלר, כלומר, היא אינה פועלת בכיוון מסוים, אין לדוגמה משמעות לטענה שהמסה היא 50 ק"ג בכיוון ימין. המשקל הוא גודל וקטורי כלומר הוא גודל שיש לו כיוון, ספציפית הכיוון אליו מאיץ הגוף כאשר פועל עליו כוח הכבידה בלבד. בתנאים בהם השפעת הכבידה מזערית, כגון בחלל, המסה של הגוף נשארת ללא שינוי. בחיי היומיום, משתמשים לרוב במלה "משקל" במשמעות של "מסה", וזאת משום שבחיי היומיום איננו חווים שינוי משמעותי בכבידה הפועלת על עצמים סביבנו, ולכן בין המשקל למסה נשמר יחס קבוע. כשאנו קונים תפוחים, לדוגמה, אנו מודדים את מסת התפוחים בעזרת מכשיר המודד את הכוח שהתפוחים מפעילים על משטח או על קפיץ תלוי. מדידה זו אינה מודדת את מסת התפוחים, אלא את משקלם. כיוון שבין המשקל למסה יש יחס ישר, ניתן להסיק ממדידת המשקל את המסה. במדידה כזו אנו מסתמכים על כך שתאוצת הכובד שווה בקירוב בכל מקום על פני כדור הארץ (אך ראו הסתייגות בהמשך ערך זה). לכן, המשקל של שקית תפוחים לא תלוי במיקום שבו הוא נמדד. גם להבדל בין גודל סקלרי לוקטורי אין משמעות פרקטית בחיים היומיומיים של רובנו. יכולות להיות שתי סיבות להתארכות קפיץ דינמומטר כאשר תולים עליו גוף: א. הגוף נמשך לגרם שמים. מכנים כוח משיכה זה כוח כבידה שמקורו בגרם שמים. את כוח הכבידה שמקורו בגרם שמים אפשר לחשב בעזרת חוק הכבידה העולמי של ניוטון, האומר שבין כל שני חלקיקים נקודתיים חומריים פועל כוח כבידה; כיוון הכוח הפועל על כל אחד מהחלקיקים הוא לעבר החלקיק האחר, וגודלו מקיים: F = Gm1m2/r2 כאשר: m1 - המסה של אחד החלקיקים הנקודתיים m2 - המסה של החלקיק הנקודתי האחר G - קבוע הכבידה העולמי שערכו:(G = 6.67259(85)X10-11 (Nm2/kg2 r - המרחק בין שני החלקיקים ב. כוח כבידה הקשור לתאוצת הגוף (תאוצה - ביחס למערכת ייחוס אינרציאלית). אם גוף תלוי על דינמומטר שקצהו העליון קשור לגוף חללית מואצת שטסה בחלל הרחק מכל גרמי השמים, הדינמומטר נמתח ומצביע על קיום כוח כבידה הפועל על הגוף. המקור לכוח כבידה זה אינו גרם שמים אלא הוא קשור לתאוצת הדינמומטר. כיוונו של שדה הכבידה הקשור לתאוצה מנוגד לכיוון התאוצה וגודלו שווה לגודל התאוצה. דוגמה 1: כאשר מכונית הנעה לאורך כביש ישר נבלמת - נוסעיה "נזרקים" קדימה ביחס למכונית. הסבר לתופעה במונחים הנדונים כאן: בתוך המכונית, בנוסף לשדה הכבידה האנכי שמקורו בכדור הארץ, יש במהלך הבלימה גם שדה כבידה אופקי בכיוון תנועת המכונית (כיוון מנוגד לתאוצתה) שדה כבידה זה קשור לתאוצת המכונית, והוא ש"זורק" את הנוסעים קדימה ביחס למכונית. דוגמה 2: כאשר אדם נשקל על פני הארץ, לא באחד הקטבים, תוצאת השקילה נובעת הן מכוח הכבידה שמקורו בארץ, והן מתאוצת האדם בגין סיבוב הארץ סביב צירה. על האדם פועל כוח כבידה כולל (השקול לשני הסוגים של כוחות הכבידה), ואדם זה, אינו יכול לדעת על סמך מדידה, מהו מקור הכוח (משיכה של הארץ או תאוצתו). שדה כבידה כולל מכונה גם שדה כבידה נמדד. על פי עקרון השקילות של איינשטיין אין שום ניסוי שבאמצעותו אפשר להבדיל, במדידות לוקליות, בין שני סוגי שדות הכבידה. כאשר שוקלים שקית עם תפוחים במעלית נחה, מוצאים ערך מסוים למשקלם, לדוגמה 10 ניוטון. כאשר המעלית עולה בתאוצה המכוונת כלפי מעלה, מוצאים ערך אחר, לדוגמה 12 ניוטון. הערכים השונים הללו הם ביטוי לעובדה שמשקל, כמו גדלים רבים בפיזיקה, הוא גודל יחסי, התלוי במערכת הייחוס. משקל שקית התפוחים ביחס למעלית הנחה הוא 10 ניוטון ומשקלם ביחס למעלית המואצת הוא 12 ניוטון. התפוחים כבדים יותר במעלית המואצת. את משקלו w, של גוף ביחס למערכת ייחוס מסוימת אפשר לחשב בעזרת הנוסחה: w = mg כאשר: m - מסת הגוף g - תאוצת הנפילה החופשית של הגוף ביחס למערכת הייחוס הנתונה. דוגמה מוכרת היטב לחוסר משקל היא אסטרונאוטים הנמצאים במסלול לווייני סביב כדור הארץ. האסטרונאוטים חסרי משקל. הם, יחד עם הלוויין, מקיפים את כדור הארץ במסלול מעגלי ולכן ניתן להבין שפועל עליהם כוח כבידה שמקורו בארץ (משקל האסטרונאוטים שונה מכוח הכובד שמקורו בכדור הארץ הפועל עליהם), אולם גם האסטרונאוטים וגם הלוויין נעים באותה תאוצת נפילה חופשית יחסית לכדור הארץ, לכן התאוצה של האסטרונאוטים ביחס ללוויין היא אפס (g של האסטרונאוטים ביחס ללוויין הוא אפס), ולכן האסטרונאוטים חסרי משקל. כוח הכבידה הכולל (השקול של כוח הכבידה שמקורו בארץ וכוח הכבידה הקשור לתאוצה) הפועל על האסטרונאוטים הוא אפס. משקל של גוף שווה תמיד לכוח הכבידה הכולל הפועל על הגוף (אך הוא אינו שווה תמיד לכוח הכבידה שמקורו בגרם שמיים). תאוצת הכובד היא התאוצה שעובר גוף כתוצאה מכח הכובד בלבד. מצב בו מופעל על גוף רק כח הכובד נקרא נפילה חופשית. שדה הכבידה על פני כדור הארץ אינו אחיד ממש, אלא רק בקירוב. השוני בין מקומות שונים נובע מכך ש: כדור הארץ אינו כדורי אלא פחוס מאפקטים של הכוח הצנטריפוגלי הנובע מסיבוב כדור הארץ סביב צירו, הכח חזק ביותר בקרבת קו המשווה ושואף ל-0 בקטבים. מכך שפיזור מסת הארץ אינו אחיד. ממוצע תאוצות הכובד, על פני כדור הארץ הוא בסביבות 9.8m/s², והתאוצות משתנות בטווח של עשיריות האחוז. מכאן נובע, לדוגמה, כי משקלה של שקית תפוחים בשוק של ציריך יהיה גדול ב-0.24% ממשקל אותה שקית בבנגקוק. כוח (פיזיקה) כבידה תאוצה מדיה וקבצים בנושא משקל בוויקישיתוף "מכניקה ניוטונית כרך א" מאת עדי רוזן, עמוד 158