Що таке вага та маса тіла. Основна фізика. Чим відрізняються вага та маса. Невагомість (1 фото). Чим відрізняється вага від маси

Сьогодні ми з вами порушимо здавалося б незначну, але насправді дуже важливу тему. А саме ми розберемо, у чому різниця маси та ваги. Випускник школи знає, що вага і маса – не те саме. Але навіть найтитулованіший фізик не скаже продавцеві: «Отмассті» мені кілограм яблук. Він скаже «зважте», маючи на увазі кількість яблучного продукту, а не його вага. Розкриємо загадку такого стану речей.

Погортаємо підручник фізики

Вага – це сила, змінна величина, що вимірюється ньютонами, означає вплив на опору предмета, що лежить, або натяг підвісу. Маса – це кількість речовини всередині тіла, яка обчислюється кілограмами, тоннами, фунтами тощо, є постійною величиною.

Для нерухомих об'єктів значення цих параметрів прямо пропорційні. Під час зважування визначається зусилля, з яким товар тисне на підставку, а табло показує його масу. Дуже зручно продавцям та покупцям.

Коли виникає відмінність

• Чим далі від центру Землі, тим менше, а тіло легше.
• Інерція. При зльоті літака чи ракети пілот зазнає перевантаження. Це до його тяжкості додалася інерція старту, і тиск на опору посилився. Навпаки, при русі ліфта вниз пасажир стає легше, менше тисне на підлогу.
• Падаючий предмет нічого не важить, оскільки К = g - g = 0. Це стан невагомості, хоча маса залишилася тією ж.
• У разі інших планет сила тяжкості змінюється. На Місяці g = 1,62, але в Марсі 3,86. Те саме тіло на Місяці легше у 6 разів, на Марсі – у 2,5 рази, ніж у земних умовах.

Чому трапляється плутанина

Людина сприймає світ через відчуття. Ми не можемо відчувати масу, але здатні відчути вагу. Дівчина тримає книгу. При цьому долоня – опора. Книжка тисне, рука пручається. Читачка відчуває зусилля щодо утримання книжки. Протидія - єдиний спосіб визначення маси, який нам дає природа. Звідси причина заміни понять, невідповідності норм мови фізичним явищам.

Регулярно стикаюся з тим, що люди не розуміють різницю між вагою та масою. Це взагалі-то зрозуміло, оскільки ми перебуваємо все життя в безперервному свою дію гравітаційному полі Землі, і ці величини для нас постійно пов'язані. І цей зв'язок ще й лінгвістично закріплюється тим, що ми дізнаємося масу за допомогою ваг, зважуємо себе або, скажімо, продукти в магазині.
Але давайте спробуємо розв'язати ці поняття.

У тонкощі (типу різного g у різних місцях Землі та іншого) ми вдаватися не будемо. Відзначу, що все це входить у шкільний курс фізики, тому якщо все нижческазане для вас очевидно, не лайтеся на тих, хто не встиг ці речі зрозуміти, а заразом на тих, хто вирішив це всоте пояснити.) Я сподіваюся, що знайдуться люди, яким ця замітка поповнить їхній апарат розуміння навколишнього світу.

Тож поїхали. Маса тіла – міра його інертності. Тобто міра того, наскільки важко змінити швидкість цього тіла за модулем (розігнати чи загальмувати) або за напрямом. У системі СІ вимірюється у кілограмах (кг). Позначається зазвичай літерою m. Є постійним параметром, що у Землі, що у космосі.

Сила тяжіння вимірюється в системі СІ в Ньютонах (Н). Це сила, з якою Земля притягує тіло, і дорівнює добутку m*g. Коефіцієнт g дорівнює 10 м/с2 називається прискоренням вільного падіння. З цим прискоренням починає рухатися тіло щодо земної поверхні, позбавлене опори (зокрема, якщо тіло стартувало з нерухомого стану, його швидкість кожну секунду збільшуватиметься на 10 м/с).

А тепер розглянемо тіло масою m, що нерухомо лежить на столі. Для певності нехай маса дорівнює 1 кг. На це тіло вертикально вниз діє сила тяжіння mg (власне сама вертикаль визначається якраз напрямком сили тяжіння), що дорівнює 10 Н. У технічній системі одиниць цю силу називають кілограм-силою (кгс).

Стіл не дозволяє розганятися нашому тілу, діючи на нього із силою N, спрямованою вертикально вгору (цю силу правильніше малювати від столу, але щоб лінії не накладалися, намалюю також із центру тіла):

N називається силою реакції опори, що врівноважує силу тяжкості (у даному випадку дорівнює по модулю тим самим 10 Ньютонам), так що рівнодіюча сила F (сума всіх сил) дорівнює нулю: F = mg - N = 0.

А те, що сили врівноважені, ми бачимо з другого закону Ньютона F = m*a, згідно з яким якщо прискорення тіла a дорівнює нулю (тобто воно або спочиває, як у нашому випадку, або рівномірно і прямолінійно рухається), то рівнодіюча сила F теж дорівнює нулю.

Ось тепер можна нарешті сказати, що така вага – це сила, з якою тіло діє на підставку чи підвіс. Згідно з третім законом Ньютона ця сила протилежна силі N і дорівнює їй за модулем. Тобто в цьому випадку становить ті ж 10 Н = 1 кгс. Вам, можливо, здасться, що це зайве складно, і треба було відразу сказати, що вага і сила тяжкості - одне й те саме? Адже вони збігаються і за напрямом, і за величиною.

Ні, насправді вони відрізняються суттєво. Сила тяжіння діє постійно. Вага змінюється залежно від прискорення тіла. Давайте наведемо приклади.

1. Ви стартуєте вгору на швидкісному ліфті (швидкісному, щоб фаза прискорення була ефектнішою/помітнішою). Ваша маса, скажімо, 70 кг (ви можете перерахувати усі числа нижче для вашої маси). Ваша вага в нерухомому ліфті (перед стартом) дорівнює 700 Н (або 70 кгс). У момент розгону вгору результуюча сила F спрямована вгору (саме вона вас і розганяє), сила реакції N перевищує силу тяжкості mg, і оскільки ваша вага (сила, з якою ви дієте на підлогу ліфта) по модулю збігається з N, ви відчуваєте так звану навантаження. Якби ліфт розганявся з прискоренням g, то ви випробували б вагу 140 кгс, тобто перевантаження 2g, що в 2 рази перевищує вагу в стані спокою. Насправді в штатному режимі таких навантажень у ліфтах не буває, прискорення зазвичай не перевищує 1 м/с2, що призводить до навантаження всього 1.1g. Вага в нашому випадку становитиме 77 кгс. Коли ліфт розігнався до потрібної швидкості, прискорення дорівнює нулю, вага повертається до початкових 70 кгс. При уповільненні вага, навпаки, зменшується, і якщо прискорення у своїй по модулю дорівнює 1 м/с2, то навантаження становитиме 0.9g. Під час руху у зворотний бік (вниз) ситуація перевертається: при розгоні вага зменшується, на рівномірному ділянці вага відновлюється, при уповільненні вага збільшується.

2. Ви біжіть, і ваша вага в стані спокою, як і раніше, 70 кгс. У момент бігу, коли ви відштовхуєтеся від землі, ваша вага перевищує 70 кгс. А поки ви летитьте (одна нога відірвалася від землі, інша - ще не торкнулася), ваша вага дорівнює нулю (оскільки ви не впливаєте ні на підставку, ні на підвіс). Це – невагомість. Щоправда, зовсім коротка. Таким чином, біг - це чергування навантажень і невагомості.

Нагадаю, що сила тяжіння у всіх цих прикладах нікуди не поділася, не змінювалася, і становила ваші "кровні" 70 кгс = 700 Н.

Тепер суттєво подовжимо фазу невагомості: уявіть, що ви перебуваєте на МКС (міжнародній космічній станції). При цьому ми не усунули силу тяжкості - вона, як і раніше, діє на вас - але оскільки і ви, і станція перебуваєте в однаковому орбітальному русі, то щодо МКС ви в невагомості. Можна уявити себе будь-де у відкритому космосі, просто МКС трохи реалістичніше.)

Якою буде ваша взаємодія з об'єктами? Ваша маса 70 кг, ви берете в руку об'єкт масою 1 кг, відкидаєте його від себе. Відповідно до закону збереження імпульсу основну швидкість отримає 1-кг-объект, як менш потужний, і кидок буде приблизно так само "легким", як і Землі. Але якщо ви спробуєте відштовхнутися від об'єкта масою 1000 кг, то ви фактично відштовхнете себе від нього, оскільки основну швидкість у цьому випадку отримаєте ви самі, і для розгону своїх 70 кг доведеться розвинути більшу силу. Щоб приблизно уявити, як це, можете підійти зараз до стіни і відштовхнутися від неї руками.

Тепер ви вийшли зі станції у відкритий космос і хочете поманіпулювати якимсь потужним об'єктом. Нехай його вага буде п'ять тонн.

Чесно сказати, я б дуже застерігся справлятися з п'ятитонним об'єктом. Так, невагомість та всі справи. Але достатньо лише невеликої його швидкості щодо МКС, щоб притиснути вам палець чи щось серйозніше. Ці п'ять тонн складно перемістити: розігнати, зупинити.

А вже уявляти, як запропонувала одна людина, себе між двома об'єктами масою по 100 тонн і не хочеться. Найменший їхній зустрічний рух, і вони вас з легкістю придавлять. У цілковитій, що характерно, невагомості.)

Та й нарешті. Якщо ви будете весело летіти по МКС і вдаритеся об стінку/перебірку, то вам буде боляче так само, як якщо б ви з тією ж швидкістю бігли і вдарилися об стіну/косяк у своїй квартирі. Тому що удар зменшує вашу швидкість (тобто повідомляє вам прискорення зі знаком мінус), а ваша маса однакова в обох випадках. А отже, за другим законом Ньютона і сила впливу буде пропорційна.

Тішить, що у фільмах про космос ("Гравітація", "Інтерстелар", серіал "The Expanse") все більш реалістично (нехай і не без огріхів типу Джорджа Клуні, який безнадійно відлітає від Сандри Буллок) відображають базові речі, описані в цьому пості.

Резюмую. Маса "невідчужувана" від об'єкта. Якщо об'єкт складно розігнати на Землі (особливо якщо ви постаралися мінімізувати тертя), його так само складно розігнати і в космосі. А щодо ваг, то коли ви на них стаєте, вони просто вимірюють силу, з якою їх здавлюють, і для зручності відображають цю силу не в Ньютонах, а в кгс. Не дописуючи при цьому букву "с", щоб вас не бентежити.)

У житті ми часто говоримо: «вага 5 кілограм», «важить 200 грам» тощо. І при цьому не знаємо, що припускаємося помилки, говорячи так. Поняття ваги тіла вивчають все в курсі фізики в сьомому класі, проте помилкове використання деяких визначень змішалося у нас настільки, що ми забуваємо вивчене і вважаємо, що вага тіла та маса це одне й те саме.

Однак, це не так. Понад те, маса тіла величина незмінна, тоді як вага тіла може змінюватися, зменшуючись до нуля. То в чому ж помилка і як правильно говорити? Спробуємо розібратися.

Вага тіла та маса тіла: формула підрахунку

Маса це міра інертності тіла, це те, яким чином тіло реагує на прикладений до нього вплив, або саме впливає на інші тіла. А вага тіла це сила, з якою тіло діє горизонтальну опору чи вертикальний підвіс під впливом тяжіння Землі.

Маса вимірюється у кілограмах, а вага тіла, як і будь-яка інша сила у ньютонах. Вага тіла має напрямок, як і будь-яка сила, і є векторною величиною. А маса немає ніякого напрями і є величиною скалярної.

Стрілочка, якою позначається вага тіла на малюнках та графіках, завжди спрямована вниз так само, як і сила тяжіння.

Формула ваги тіла у фізицізаписується наступним чином:

де m – маса тіла

g - прискорення вільного падіння = 9,81 м/с^2

Але, незважаючи на збіг з формулою та напрямом сили тяжіння, є серйозна відмінність між силою тяжіння та вагою тіла. Сила тяжіння прикладена до тіла, тобто, грубо кажучи, це вона тисне на тіло, а вага тіла прикладена до опори чи підвісу, тобто, тут вже тіло тисне на підвіс чи опору.

Але природа існування сили тяжіння та ваги тіла однакова тяжіння Землі. Власне, вага тіла є наслідком прикладеної до тіла сили тяжіння. І, як і сила тяжкості, вага тіла зменшується зі збільшенням висоти.

Вага тіла у невагомості

У стані невагомості вага тіла дорівнює нулю.Тіло не тиснутиме на опору або розтягуватиме підвіс і важити нічого не буде. Однак, як і раніше, матиме масу, оскільки, щоб надати тілу якусь швидкість, треба буде докласти певного зусилля, тим більше, ніж більше масатіла.

В умовах іншої планети маса також залишиться незмінною, а вага тіла збільшиться або зменшиться, залежно від сили тяжіння планети. Масу тіла ми вимірюємо вагами, в кілограмах, а щоб виміряти вагу тіла, що вимірюється в ньютонах, можна застосувати динамометр спеціальний пристрій для вимірювання сили.

Вивченням відмінності між масою та вагою тілазаймався Ньютон. Він міркував так: ми чудово знаємо, що різні речовини, взяті в однакових обсягах, важать неоднаково.

Маса

Пружинні ваги вірні лише з тієї широті, де вони виготовлені. У всіх інших широтах, на полюсі та на екваторі вони показуватимуть різну вагу. Правда, різниця невелика, але вона все ж таки виявиться, тому що сила тяжіння на Землі не скрізь однакова, а сила пружності пружини, зрозуміло, залишається постійною. На інших планетах ця різниця виявиться значною та помітною. На Місяці, наприклад, предмет, що важив на Землі 1 кілограм, потягне на пружинних терезах, привезених із Землі, 161 грам, на Марсі - 380 грамів, а на величезному Юпітері - 2640 грамів.

Яке слово ви вживаєте частіше: «маса» чи «вага»? Думаю, це залежить від вашої професії. Якщо ви вчитель фізики, то слово "маса" зустрічається у вашому мовленні частіше. Якщо ж ви продавець у магазині, то слово "вага" ви чуєте і вимовляєте багато разів на день. У чому ж відмінність маси від ваги і до чого тут професійна діяльність? Маса та вага – синоніми, але не абсолютні. Спочатку, в обох слів існує кілька значень. У цьому легко переконатися на прикладі таких словосполучень: «вага твого голосу», «вага вантажу», «відмінна маса», «маса тіла». Основні значення цих слів у побуті збігаються, але в науці, особливо у фізиці, відмінності між масою та вагою значні. Так, маса– це фізична величина, що визначає інертні та гравітаційні властивості тіл. Маса визначає кількість речовини у предметі. Вага- Це сила, з якою об'єкт тисне на опору, щоб не впасти. Виходячи з цього визначення, приходимо до висновку, що у випадку з вагою гравітаційна складова є обов'язковою для надання правильного визначення. Так, наприклад, якщо вага космонавта на землі 80 кг, то його вага на орбіті буде майже нульовою, на Місяці він важив би менше 15 кг, а ось на Юпітері — майже 200 кг. При цьому його маса завжди залишається незмінною.
Офіційно маса та вага мають різні одиниці виміру, маса – кілограми, вага – ньютони. Цікаво, що в медицині традиційно ми маємо справу з поняттям «вага людини», «вага новонародженої», яку вимірюють у кілограмах, тобто насправді йдеться про масу. При цьому маса не має на увазі дію будь-яких сил, як вага. Це величина, яка розраховується у стані спокою та інертності.

Ось які вагомі відмінності між вагою та масою виділяє TheDifference.ru:

Маса - фундаментальна фізична величина, що визначає кількість речовини та інертні властивості тіла. Вага - це сила, з якою предмет тисне на опору, яка залежить від гравітації. Наприклад, маса людини на різних планетах залишається тією ж, а вага змінюється в залежності від сили тяжіння.
Маса стандартно вимірюється у кілограмах, вага – у ньютонах.