Peso

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Questa pagina riguarda il concetto fisico. In diritto, commercio e nell'uso colloquiale peso può anche riferirsi alla massa. Per altri usi vedi il peso (disambiguazione).
Peso
Una scala a molla misura il peso di un oggetto.
Simboli comuni
Unità SI Newton (N)
Altre unità
libbra-forza (lbf)
In unità di base SI kg⋅m⋅s−2
Ampia?
Intensivo? No
Conservato? No
Derivazioni da
altre quantità
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Nella scienza e ingegneria, il peso di un oggetto è correlato alla quantità diforza che agisce sull'oggetto, a causa della gravità o di una forza di reazione che lo mantiene in posizione.[1][2][3]

Alcuni libri di testo standard[4] definisci il peso come una quantità vettoriale, la forza gravitazionale che agisce sull'oggetto. Altri[5][6] definire il peso come una quantità scalare, la grandezza della forza gravitazionale. Altri[7] definirlo come la grandezza della forza di reazione esercitata su un corpo da meccanismi che la mantengono in posizione: il peso è la quantità che viene misurata, ad esempio, da una scala a molla. Quindi, in uno stato di caduta libera, il peso sarebbe zero. In questo senso di peso, gli oggetti terrestri possono essere senza peso: ignorando la resistenza dell'aria, la famosa mela che cade dall'albero, sulla strada per incontrare il terreno vicino a Isaac Newton, sarebbe senza peso.

L'unità di misura del peso è quella della forza, che nel Sistema Internazionale di Unità (SI) è il newton. Ad esempio, un oggetto con una massa di un chilogrammo ha un peso di circa 9,8 newton sulla superficie della Terra, e circa un sesto sulla Luna. Sebbene il peso e la massa siano quantità scientificamente distinte, i termini sono spesso confusi l'un l'altro nell'uso quotidiano (cioè confrontando e convertendo il peso della forza in libbre in massa in chilogrammi e viceversa).[8]

Ulteriori complicazioni nel chiarire i vari concetti di peso hanno a che fare con la teoria della relatività secondo la quale la gravità è modellata come conseguenza della curvatura dello spaziotempo. Nella comunità degli insegnanti, da oltre mezzo secolo esiste un dibattito considerevole su come definire il peso per i loro studenti. La situazione attuale è che un insieme multiplo di concetti coesiste e trova uso nei loro vari contesti.[2]

Storia

Pesi in bronzo ufficiale greco antico risalenti al VI secolo aC, esposti nell'Antica Museo dell'Agorà ad Atene, ospitato nella Stoà di Attalo.
Grano di pesatura, dal Babur-namah[9]

La discussione dei concetti di pesantezza (peso) e leggerezza (leggerezza) risalgono agli antichi filosofi greci. Questi sono stati in genere visualizzati come proprietà intrinseche degli oggetti. Platone descriveva il peso come la naturale tendenza degli oggetti a cercare i loro parenti. Per Aristotele, il peso e la leggerezza rappresentavano la tendenza a ripristinare l'ordine naturale degli elementi di base: aria, terra, fuoco e acqua. Attribuiva il peso assoluto alla terra e l'assoluta leggerezza al fuoco. Archimede considerava il peso come una qualità opposta alla galleggiabilità, con il conflitto tra i due che determina se un oggetto affonda o galleggia. La prima definizione operativa di peso è stata data da Euclid, che ha definito il peso come: "il peso è la pesantezza o la leggerezza di una cosa, rispetto ad un'altra, misurata da un equilibrio".[2] I saldi operativi (piuttosto che le definizioni) erano tuttavia rimasti molto più a lungo.[10]

Secondo Aristotele, il peso era la causa diretta del movimento di caduta di un oggetto, la velocità dell'oggetto che cadeva doveva essere direttamente proporzionale al peso dell'oggetto. Come studiosi medievali hanno scoperto che in pratica la velocità di un oggetto che cade è aumentata nel tempo, questo ha spinto a cambiare il concetto di peso per mantenere questa relazione di causa effetto. Il peso è stato diviso in un "peso fermo" o pondus, che è rimasto costante, e la gravità effettiva o gravitas, che è cambiato quando l'oggetto è caduto. Il concetto di gravitas fu infine sostituito dall'impeto di Jean Buridan, un precursore del momento.[2]

L'ascesa della visione copernicana del mondo portò al risorgere dell'idea platonica che gli oggetti simili si attraggono, ma nel contesto dei corpi celesti. Nel 17 ° secolo, Galileo fece progressi significativi nel concetto di peso. Ha proposto un modo per misurare la differenza tra il peso di un oggetto in movimento e un oggetto a riposo. In definitiva, ha concluso che il peso era proporzionato alla quantità di materia di un oggetto, e non alla velocità del movimento come supposto dalla visione aristotelica della fisica.[2]

Newton

L'introduzione delle leggi del moto di Newton e lo sviluppo della legge di gravitazione universale di Newton hanno portato a un considerevole ulteriore sviluppo del concetto di peso. Il peso è diventato fondamentalmente separato dalla massa. La massa veniva identificata come una proprietà fondamentale degli oggetti connessi alla loro inerzia, mentre il peso veniva identificato con la forza di gravità su un oggetto e quindi dipendente dal contesto dell'oggetto. In particolare, Newton considera il peso come relativo a un altro oggetto che causa la trazione gravitazionale, ad es. il peso della Terra verso il Sole.[2]

Newton considerava il tempo e lo spazio come assoluti. Ciò gli ha permesso di considerare i concetti come la vera posizione e la vera velocità. Newton ha anche riconosciuto che il peso misurato dall'azione della pesatura era influenzato da fattori ambientali come la galleggiabilità. Considerava questo un falso peso indotto da condizioni di misurazione imperfette, per le quali ha introdotto il termine peso apparente rispetto al vero peso definito dalla gravità.[2]

Sebbene la fisica newtoniana abbia fatto una chiara distinzione tra peso e massa, il termine peso continuava ad essere comunemente usato quando le persone intendevano la massa. Questo portò la 3a Conferenza generale su pesi e misure (CGPM) del 1901 a dichiarare ufficialmente "La parola peso denota una quantità della stessa natura di a vigore: il peso di un corpo è il prodotto della sua massa e dell'accelerazione dovuta alla gravità ", distinguendolo dalla massa per uso ufficiale.

Relatività

Nel 20 ° secolo, i concetti newtoniani di tempo e spazio assoluti furono messi in discussione dalla relatività. Il principio di equivalenza di Einstein mette tutti gli osservatori, in movimento o in accelerazione, sullo stesso piano. Ciò ha portato ad un'ambiguità su cosa si intenda esattamente per forza di gravità e peso. Una scala in un ascensore in accelerazione non può essere distinta da una scala in un campo gravitazionale. La forza gravitazionale e il peso divennero quindi essenzialmente quantità dipendenti dalla trama. Ciò ha spinto l'abbandono del concetto come superfluo nelle scienze fondamentali come la fisica e la chimica. Nondimeno, il concetto è rimasto importante nell'insegnamento della fisica. Le ambiguità introdotte dalla relatività hanno portato, a partire dagli anni '60, a un considerevole dibattito nella comunità di insegnanti su come definire il peso per i loro studenti, scegliendo tra una definizione nominale di peso come forza dovuta alla gravità o una definizione operativa definita dall'atto di pesatura.[2]

definizioni

Questo dragster top-fuel può accelerare da zero a 160 chilometri all'ora (99 mph) in 0,86 secondi. Questa è un'accelerazione orizzontale di 5,3 g. Combinato con la forza g verticale nel caso stazionario, il teorema di Pitagora produce una forza g di 5,4 g. È questa forza g che causa il peso del guidatore se si utilizza la definizione operativa. Se si utilizza la definizione gravitazionale, il peso del conducente è invariato dal movimento della vettura.

Esistono diverse definizioni per pesonon tutti equivalenti[3][11][12][13]

Definizione gravitazionale

La definizione più comune di peso trovata nei libri di testo introduttivi definisce il peso come la forza esercitata su un corpo dalla gravità.[1][13] Questo è spesso espresso nella formula W = mg, dove W è il peso, m la massa dell'oggetto, e g Accellerazione Gravitazionale.

Nel 1901, la 3a Conferenza generale su pesi e misure (CGPM) ha stabilito che questa era la loro definizione ufficiale di peso:

"La parola peso denota una quantità della stessa natura[Nota 1] come un vigore: il peso di un corpo è il prodotto della sua massa e dell'accelerazione dovuta alla gravità. "

Risoluzione 2 della 3a Conferenza generale su pesi e misure[15][16]

Questa risoluzione definisce il peso come un vettore, poiché la forza è una quantità vettoriale. Tuttavia, alcuni libri di testo prendono anche il peso di essere uno scalare definendo:

"Il peso W di un corpo è uguale alla magnitudine Fg della forza gravitazionale sul corpo. "[17]

L'accelerazione gravitazionale varia da luogo a luogo. A volte, è semplicemente necessario avere un valore standard di 9,80665 m / s2, che dà il peso standard.[15]

La forza la cui magnitudine è uguale a mg newton è anche conosciuto come il peso del chilogrammo m (il cui termine è abbreviato in kg-wt)[18]

Misurazione del peso rispetto alla massa
A sinistra: una scala a molla misura il peso, osservando quanto l'oggetto spinge su una molla (all'interno del dispositivo). Sulla Luna, un oggetto darebbe una lettura più bassa. A destra: una scala di equilibrio misura indirettamente la massa, confrontando un oggetto con i riferimenti. Sulla Luna, un oggetto darebbe la stessa lettura, perché l'oggetto e i riferimenti sarebbero entrambi diventa più leggero

Definizione operativa

Nella definizione operativa, il peso di un oggetto è la forza misurata dall'operazione di pesatura, che è la forza che esercita sul suo supporto.[11] Poiché, W = forza verso il basso sul corpo dal centro della terra, e non c'è accelerazione nel corpo. Quindi, esiste una forza opposta e uguale per il supporto sul corpo. Inoltre è uguale alla forza esercitata dal corpo sul suo supporto perché l'azione e la reazione hanno lo stesso valore numerico e la direzione opposta.Questo può fare una notevole differenza, a seconda dei dettagli; per esempio, un oggetto in caduta libera esercita poca o nessuna forza sul suo supporto, una situazione che viene comunemente chiamata assenza di peso. Tuttavia, essere in caduta libera non influisce sul peso in base alla definizione gravitazionale. Pertanto, la definizione operativa viene talvolta perfezionata richiedendo che l'oggetto sia a riposo. Tuttavia, questo solleva il problema di definire "a riposo" (di solito essere a riposo rispetto alla Terra è implicito usando la gravità standard). Nella definizione operativa, il peso di un oggetto a riposo sulla superficie della Terra è diminuito dall'effetto della forza centrifuga dalla rotazione terrestre.

La definizione operativa, come solitamente fornita, non esclude esplicitamente gli effetti della galleggiabilità, che riduce il peso misurato di un oggetto quando è immerso in un fluido come aria o acqua. Di conseguenza, si potrebbe dire che un palloncino galleggiante o un oggetto fluttuante nell'acqua abbiano peso zero.

Definizione ISO

Nella norma internazionale ISO ISO 80000-4 (2006),[19] descrivendo le quantità fisiche di base e le unità in meccanica come parte dello standard internazionale ISO / IEC 80000, la definizione di peso è dato come:

Definizione

,
dove m è di massa e g è l'accelerazione locale di caduta libera.

Osservazioni

  • Quando la trama di riferimento è Terra, questa quantità comprende non solo la forza gravitazionale locale, ma anche la forza centrifuga locale dovuta alla rotazione della Terra, una forza che varia con la latitudine.
  • L'effetto della spinta idrostatica atmosferica è escluso dal peso.
  • Nel linguaggio comune, il nome "peso" continua ad essere usato dove si intende "massa", ma questa pratica è deprecata.
ISO 80000-4 (2006)

La definizione dipende dal frame di riferimento scelto. Quando la cornice scelta è in co-movimento con l'oggetto in questione, allora questa definizione concorda esattamente con la definizione operativa.[12] Se il frame specificato è la superficie della Terra, il peso in base all'ISO e le definizioni gravitazionali differiscono solo dagli effetti centrifughi dovuti alla rotazione della Terra.

Peso apparente

Articolo principale: Peso apparente

In molte situazioni del mondo reale l'atto di pesare può produrre un risultato che differisce dal valore ideale fornito dalla definizione utilizzata. Questo è solitamente definito come il peso apparente dell'oggetto. Un esempio comune di questo è l'effetto della galleggiabilità, quando un oggetto viene immerso in un fluido lo spostamento del fluido causerà una forza verso l'alto sull'oggetto, facendolo apparire più leggero se pesato su una scala.[20] Il peso apparente può essere influenzato in modo simile dalla levitazione e dalla sospensione meccanica. Quando viene utilizzata la definizione gravitazionale del peso, il peso operativo misurato da una scala di accelerazione viene spesso definito anche come peso apparente.[21]

Massa

Un oggetto con massa m appoggiato su una superficie e il corrispondente diagramma del corpo libero del solo oggetto che mostra le forze che agiscono su di esso. Si noti che la quantità di forza che il tavolo sta spingendo verso l'alto sull'oggetto (il vettore N) è uguale alla forza verso il basso del peso dell'oggetto (mostrato qui come mg, poiché il peso è uguale alla massa dell'oggetto moltiplicato con l'accelerazione dovuta alla gravità): poiché queste forze sono uguali, l'oggetto si trova in uno stato di equilibrio (tutte le forze e i momenti che agiscono su di essa sommano a zero).
Articolo principale: massa contro peso

Nell'uso scientifico moderno, il peso e la massa sono quantità fondamentalmente diverse: la massa è una proprietà intrinseca della materia, mentre il peso è a vigore che deriva dall'azione della gravità sulla materia: misura quanto fortemente la forza di gravità attira su quella materia. Tuttavia, nella maggior parte delle situazioni quotidiane pratiche viene usata la parola "peso" quando, in senso stretto, si intende "massa".[8][22] Ad esempio, la maggior parte delle persone direbbe che un oggetto "pesa un chilogrammo", anche se il chilogrammo è un'unità di massa.

La distinzione tra massa e peso non è importante per molti scopi pratici perché la forza di gravità non varia troppo sulla superficie della Terra. In un campo gravitazionale uniforme, la forza gravitazionale esercitata su un oggetto (il suo peso) è direttamente proporzionale alla sua massa. Ad esempio, l'oggetto A pesa 10 volte l'oggetto B, quindi la massa dell'oggetto A è 10 volte maggiore di quella dell'oggetto B. Ciò significa che la massa di un oggetto può essere misurata indirettamente dal suo peso, e così, per tutti i giorni scopi, la pesatura (usando una bilancia) è un modo completamente accettabile per misurare la massa. Allo stesso modo, un equilibrio misura la massa indirettamente confrontando il peso dell'oggetto misurato con quello di un oggetto (o oggetti) di massa nota. Poiché l'elemento misurato e la massa di confronto sono praticamente nella stessa posizione, quindi vivendo lo stesso campo gravitazionale, l'effetto della gravità variabile non influenza il confronto o la misura risultante.

Il campo gravitazionale terrestre non è uniforme ma può variare fino allo 0,5%[23] in diversi luoghi sulla Terra (vedi la gravità della Terra). Queste variazioni alterano la relazione tra peso e massa e devono essere prese in considerazione nelle misurazioni del peso ad alta precisione che intendono misurare indirettamente la massa. Le bilance a molla, che misurano il peso locale, devono essere calibrate nella posizione in cui gli oggetti saranno utilizzati per mostrare questo peso standard, per essere legali per il commercio.

Questa tabella mostra la variazione dell'accelerazione dovuta alla gravità (e quindi la variazione di peso) in varie posizioni sulla superficie terrestre.[24]

Posizione Latitudine Signorina2
Equatore 9.7803
Sydney 33 ° 52 'S 9.7968
Aberdeen 57 ° 9 'N 9.8168
Polo Nord 90 ° N 9.8322

L'uso storico del "peso" per "massa" persiste anche in alcune terminologie scientifiche - ad esempio, i termini chimici "peso atomico", "peso molecolare" e "peso formula", possono ancora essere trovati piuttosto che l'atomico preferito massa "ecc.

In un campo gravitazionale diverso, ad esempio, sulla superficie della Luna, un oggetto può avere un peso significativamente diverso rispetto alla Terra. La gravità sulla superficie della Luna è solo circa un sesto più forte della superficie della Terra. Una massa di un chilogrammo è ancora una massa di un chilogrammo (poiché la massa è una proprietà estrinseca dell'oggetto), ma la forza verso il basso dovuta alla gravità, e quindi al suo peso, è solo un sesto di ciò che l'oggetto avrebbe sulla Terra. Quindi un uomo di massa di 180 sterline pesa solo circa 30 chili di forza quando visita la Luna.

Unità SI

Nella maggior parte dei lavori scientifici moderni, le grandezze fisiche sono misurate in unità SI. L'unità di peso SI è uguale a quella di forza: il newton (N) - un'unità derivata che può anche essere espressa in unità di base SI come kg⋅m / s2 (chilogrammi di metri al secondo al quadrato).[22]

Nell'uso commerciale e quotidiano, il termine "peso" è solitamente usato per indicare la massa, e il verbo "pesare" significa "determinare la massa di" o "avere una massa di". Usato in questo senso, l'unità SI corretta è il chilogrammo (kg).[22]

Sterlina e altre unità non SI

Nelle unità abituali degli Stati Uniti, la sterlina può essere un'unità di forza o un'unità di massa.[25] Le unità correlate utilizzate in alcuni sottosistemi distinti e separati di unità includono il poundal e lo slug. Il poundal è definito come la forza necessaria per accelerare un oggetto di una libbra massa a 1 ft / s2ed equivale a circa 1 / 32.2 di libbravigore. Lo slug è definito come la quantità di massa che accelera a 1 ft / s2 quando una forza di libbra è esercitata su di essa, ed è equivalente a circa 32,2 libbre (massa).

La forza del chilogrammo è un'unità di forza non-SI, definita come la forza esercitata da una massa di un chilogrammo in gravità terrestre standard (esattamente pari a 9.80665 newton esattamente). Il dyne è l'unità di forza cgs e non è una parte di SI, mentre i pesi misurati nell'unità di massa dei cgs, il grammo, rimangono una parte di SI.

Sensazione

Vedi anche: Peso apparente

La sensazione di peso è causata dalla forza esercitata dai fluidi nel sistema vestibolare, un insieme tridimensionale di tubi nell'orecchio interno. In realtà è la sensazione della forza di gravità, indipendentemente dal fatto che sia dovuta alla stazionarietà in presenza della gravità, o, se la persona è in movimento, il risultato di altre forze che agiscono sul corpo come nel caso di accelerazione o decelerazione di un ascensore o forze centrifughe quando si gira bruscamente.

misurazione

Articolo principale: bilancia
"Pesare" i reindirizzamenti qui. Per altri usi, consultare Pesatura (disambiguazione).
Una pesa a ponte, utilizzata per pesare camion

Il peso è comunemente misurato usando uno dei due metodi. Una bilancia a molla o una scala idraulica o pneumatica misura il peso locale, la forza di gravità locale sull'oggetto (forza di peso strettamente apparente). Poiché la forza di gravità locale può variare fino allo 0,5% in diverse posizioni, le scale a molla misureranno pesi leggermente diversi per lo stesso oggetto (la stessa massa) in diverse posizioni. Per standardizzare i pesi, le bilance sono sempre calibrate per leggere il peso che un oggetto avrebbe a un peso nominale nominale di 9,80665 m / s2 (circa 32.174 piedi / s2). Tuttavia, questa calibrazione viene eseguita in fabbrica. Quando la bilancia viene spostata in un'altra posizione sulla Terra, la forza di gravità sarà diversa, causando un leggero errore. Pertanto, per essere estremamente precisi e legali per il commercio, le bilance a molla devono essere ricalibrate nel luogo in cui verranno utilizzate.

UN equilibrio d'altra parte, confronta il peso di un oggetto sconosciuto in un riquadro di scala con il peso delle masse standard nell'altro, usando un meccanismo a leva: un bilanciere a leva. Le masse standard sono spesso indicate, non tecnicamente, come "pesi". Dal momento che qualsiasi variazione della gravità agirà allo stesso modo sull'ignoto e sui pesi noti, un bilancia a leva indicherà lo stesso valore in qualsiasi posizione sulla Terra. Pertanto, equilibrio "pesi" di solito sono calibrati e marcati in unità di massa, quindi il bilancia a leva misura la massa confrontando l'attrazione della Terra con l'oggetto sconosciuto e le masse standard nelle pentole della bilancia. In assenza di un campo gravitazionale, lontano dai corpi planetari (ad esempio lo spazio), un equilibrio di leva non funzionerebbe, ma sulla Luna, per esempio, darebbe la stessa lettura che sulla Terra. Alcune bilance possono essere contrassegnate in unità di peso, ma poiché i pesi sono calibrati in fabbrica per gravità standard, la bilancia misurerà il peso standard, cioè ciò che l'oggetto peserebbe alla gravità standard, non la forza di gravità locale effettiva sull'oggetto.

Se è necessaria la forza di gravità effettiva sull'oggetto, questo può essere calcolato moltiplicando la massa misurata dalla bilancia per l'accelerazione dovuta alla gravità: gravità standard (per il lavoro quotidiano) o gravità locale precisa (per lavori di precisione). Le tabelle dell'accelerazione gravitazionale in diverse posizioni possono essere trovate sul web.

Il peso lordo è un termine che si trova generalmente nelle applicazioni commerciali o commerciali e si riferisce al peso totale di un prodotto e al suo imballaggio. Viceversa, il peso netto si riferisce al peso del solo prodotto, scontando il peso del suo contenitore o della confezione; e il peso della tara è il peso del solo imballaggio.

Pesi relativi sulla Terra e altri corpi celesti

Articoli principali: gravità terrestre e gravità superficiale

La tabella sottostante mostra le accelerazioni gravitazionali comparative sulla superficie del Sole, sulla Luna della Terra, su ciascuno dei pianeti nel sistema solare. Per "superficie" si intendono le sommità delle nubi dei giganti gassosi (Giove, Saturno, Urano e Nettuno). Per il Sole, la superficie è intesa come la fotosfera. I valori nella tabella non sono stati ridimensionati per l'effetto centrifugo della rotazione del pianeta (e le velocità del vento in cima alla nube per i giganti gassosi) e quindi, in generale, sono simili alla gravità effettiva che verrebbe sperimentata vicino ai poli.

Corpo Multiplo di
Gravità terrestre
Gravità superficiale
Signorina2
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