În știință și inginerie, greutatea unui obiect este de obicei considerată a fi forța asupra obiectului datorită gravitației. Greutatea este un vector a cărui magnitudine (o cantitate scalară), adesea desemnată printr-o literă italică G, este produsul masei m a obiectului și mărimea accelerației gravitaționale locale g; astfel: G = mg. Unitatea de măsură pentru greutate este cea de forță, care în Sistemul Internațional de Unități (SI) este newton. De exemplu, un obiect cu o masă de un kilogram are o greutate de aproximativ 9,8 newtoni pe suprafața Pământului și aproximativ o șesime pe Lună. În acest înțeles al greutății, un corp poate fi fără greutate numai dacă este îndepărtat (în principiu infinit de departe) de orice altă masă. Deși greutatea și masa sunt cantități distincte din punct de vedere științific, termenii sunt adesea confundați unul cu celălalt în utilizarea zilnică (adică compararea și convertirea greutății forței în masă și invers).
Există, de asemenea, o tradiție rivală în cadrul fizicii și ingineriei newtoniene, care vede greutatea ca fiind cea măsurată atunci când se utilizează scale. Acolo greutatea este o măsură a mărimii forței de reacție exercitată asupra unui corp. În mod obișnuit, la măsurarea greutății obiectului, obiectul este plasat pe scale în repaus față de pământ, dar definiția poate fi extinsă la alte stări de mișcare. Astfel, într-o stare de cădere liberă, greutatea ar fi zero. În acest al doilea sens al greutății, obiectele terestre pot fi fără greutate. Ignorând rezistența la aer, faimosul măr care cade din copac pe drumul său spre a ajunge la pământ lângă Isaac Newton, este fără greutate.
Alte complicații în elucidarea diferitelor concepte de greutate au de-a face cu teoria relativității conform căreia gravitația este modelată ca o consecință a curburii spațiului. În comunitatea didactică, există o dezbatere considerabilă de peste o jumătate de secol cu privire la modul de definire a greutății pentru elevi. Situația actuală este că un set de concepte multiple coexistă și se găsesc în diferite contexte.
Imponderabilitatea, sau absența greutății, reprezintă absența sarcinii și a efortului cauzat de forțele de contact mecanice aplicate la exterior, de obicei forțe normale (de la pardoseli, scaune, paturi, scări, etc.). În mod contraintuitiv, un câmp gravitațional uniform nu provoacă de la sine sarcină sau tensionare, iar un corp în cădere liberă într-un astfel de mediu nu experimentează o accelerație a forței g și se simte fără greutate. Acesta este de asemenea numit zero-g, unde termenul este mai bine înțeles ca însemnând „forță g zero”.
Când corpurile sunt acționate de forțe non-gravitaționale, ca într-o centrifugă, o stație spațială rotativă sau într-o navă spațială cu ardere cu rachete, se produce o senzație de greutate, deoarece forțele de contact de la structura mișcătoare acționează pentru a depăși inerţia corpului. În astfel de cazuri, poate apărea o senzație de greutate, în sensul unei stări de constrângere, chiar dacă câmpul gravitațional a fost zero. În astfel de cazuri, forțele g sunt resimțite, iar corpurile nu sunt fără greutate.
Când câmpul gravitațional este neuniform, un corp în cădere liberă suferă efecte de maree și nu este lipsit de constrângere. Lângă o gaură neagră, efectele de maree pot fi foarte puternice. În cazul Pământului, efectele sunt minore, în special pe obiecte de dimensiuni relativ mici (cum ar fi corpul uman sau o navă spațială), iar senzația generală de lipsă de greutate în aceste cazuri este păstrată. Această condiție este cunoscută sub numele de microgravitate și predomină în navele spațiale care orbitează.
În octombrie 2015, NASA a emis un raport privind riscurile pentru sănătate legate de zborul spațial uman, inclusiv pentru misiunile umane pe Marte.
Greutatea în mecanica newtoniană
(În jumătatea stângă, arcul este departe de orice sursă de gravitație, în jumătatea dreaptă se află într-un câmp de gravitație uniformă a) Gravitație zero și imponderabilitate b) Greutate zero dar fără imponderabilitate (Arcul este propulsat cu rachete) c) Arcul este în cădere liberă și imponderabil d) Arcul se sprijină pe un suport și are atât greutatea1, cât și greutatea2.)
În mecanica newtoniană, termenul „greutate” are două interpretări distincte date de către ingineri.
Greutatea1: În cadrul acestei interpretări, „greutatea” unui corp este forța gravitațională exercitată asupra corpului, și aceasta este noțiunea de greutate care predomină în inginerie. În apropierea suprafeței pământului, un corp a cărui masă este de 1 kg are o greutate de aproximativ 9,81 N, independent de starea sa de mișcare, de cădere liberă sau nu. Greutatea în acest sens poate fi obținută prin îndepărtarea corpului departe de sursa de gravitație. Se poate realiza și prin plasarea corpului într-un punct neutru între două mase gravitaționale.
Greutatea2: Greutatea poate fi interpretată și ca fiind cantitatea măsurată atunci când se utilizează scale. Ce se măsoară acolo este forța exercitată de corp asupra cântarelor. Într-o operație standard de cântărire, corpul cântărit se află într-o stare de echilibru ca rezultat al unei forțe exercitate asupra lui de către unitatea de cântărire care anulează câmpul gravitațional. Prin a treia lege a lui Newton există o forță egală și opusă exercitată de corp asupra mașinii. Această forță se numește greutatea2. Forța nu este gravitațională. De obicei, este o forță de contact și nu este uniformă pe toată masa corpului. Dacă corpul este așezat pe cântare într-un ascensor în cădere liberă în gravitație uniformă pură, scala ar fi citită ca zero, iar corpul considerat a fi fără greutate adică greutatea2 a acestuia. Aceasta descrie starea în care corpul este lipsit de constrângeri și este nedeformat. Aceasta este greutatea în cădere liberă într-un câmp gravitațional uniform. (Situația este mai complicată atunci când câmpul gravitațional nu este uniform, sau atunci când un corp este supus unor forțe multiple care, de exemplu, se pot întrerupe și produc o stare de constrângere, deși greutatea este zero.
Pentru a rezuma, avem două noțiuni de greutate, unde greutatea1 este dominantă. Cu toate acestea, „lipsa de greutate” este în mod tipic exemplificată nu prin absența greutății1, ci prin absența stresului (constrângerii) asociat greutății2. Acesta este sensul intenționat al greutății în ceea ce urmează.
Un corp este lipsit de stres, exercită greutate2 zero, când singura forță care acționează asupra lui este greutatea1 ca atunci când se află în cădere liberă într-un câmp gravitațional uniform. Fără indice, se ajunge la concluzia că un corp este fără greutate atunci când singura forță care acționează asupra lui este greutatea sa.
Mărul apocrific care a căzut în capul lui Newton poate fi folosit pentru a ilustra problemele implicate. Un măr cântărește aproximativ 1 newton. Aceasta este greutatea1 a mărului și este considerată a fi o constantă chiar și în timp ce este în scădere. În timpul căderii, greutatea2 a sa este, totuși, zero: ignorând rezistența la aer, mărul este lipsit de stres. Când îl atinge pe Newton, senzația simțită de Newton va depinde de înălțimea de la care cade mărul și de greutatea mărului în momentul impactului și poate fi de mai multe ori mai mare decât 1 N. A fost suficient de mare – în poveste – să îl facă pe marele om să descopere teoria gravitației. Greutatea2 este cea care distorsionează mărul. În drumul său, mărul în cădere liberă nu suferă nicio distorsiune, deoarece câmpul gravitațional este uniform.
Istorie
(Cântărind cereale, de la Babur-namah)
Discuțiile despre conceptele de apăsare (greutate) și ușurință (levitate) datează de la filosofii greci antici. Acestea au fost în mod obișnuit văzute ca proprietăți inerente ale obiectelor. Platon a descris greutatea drept tendința naturală a obiectelor de a-și căuta semenii. Pentru Aristotel greutatea și ușurința a reprezentat tendința de a restabili ordinea naturală a elementelor de bază: aer, pământ, foc și apă. A atribuit greutate absolută pământului și o lejeritate absolută focului. Arhimede a văzut greutatea ca o calitate opusă flotabilității, conflictul dintre cele două determinând dacă un obiect se scufundă sau plutește. Prima definiție operațională a greutății a fost dată de Euclid, care a definit greutatea ca fiind: „apăsarea sau ușurința unui lucru, în comparație cu altul, măsurată prin echilibru”. Balanțele operaționale (mai degrabă decât definițiile) au fost totuși folosite mult mai mult timp.
Potrivit lui Aristotel, greutatea a fost cauza directă a căderii a unui obiect, viteza obiectului în cădere se presupunea că ar trebui să fie direct proporțională cu greutatea obiectului. Învățătorii medievali au descoperit că, în practică, viteza unui obiect care cade crește odată cu timpul, aceasta determinând o schimbare a conceptului de greutate pentru a menține această relație cauză-efect. Greutatea a fost împărțită într-o „greutate fixă” sau pondus, care a rămas constantă, și gravitația actuală sau gravitas, care se schimba pe măsură ce obiectul cădea. Conceptul de gravitas a fost în cele din urmă înlocuit de impetus al lui Jean Buridan, un precursor al impulsului.
Apariția concepției copernicane a lumii a dus la renașterea ideii platonice că obiectele se atrag, dar în contextul corpurilor cerești. În secolul al XVII-lea, Galileo a făcut progrese semnificative în conceptul de greutate. El a propus o modalitate de a măsura diferența dintre greutatea unui obiect în mișcare și un obiect în repaus. În cele din urmă, el a concluzionat că greutatea era proporțională cu cantitatea de materie a unui obiect și nu cu viteza de mișcare, așa cum se presupunea prin concepția aristotelică a fizicii.
Newton
Introducerea legilor de mișcare ale lui Newton și dezvoltarea legii lui Newton de gravitație universală au dus la o dezvoltare considerabilă în continuare a conceptului de greutate. Greutatea a devenit fundamental separată de masă. Masa a fost identificată ca o proprietate fundamentală a obiectelor legate de inerția lor, în timp ce greutatea a fost identificată cu forța gravitației unui obiect și, prin urmare, depinde de contextul obiectului. În particular, Newton consideră că greutatea este relativă la un alt obiect care cauzează atracția gravitațională, de ex. greutatea Pământului față de Soare.
Newton a considerat timpul și spațiul ca fiind absolute. Acest lucru i-a permis să considere conceptele drept poziția adevărată și viteza adevărată. De asemenea, Newton a recunoscut că greutatea măsurată prin acțiunea de cântărire a fost afectată de factori de mediu, cum ar fi flotabilitatea. El a considerat aceasta o greutate falsă indusă de condițiile imperfecțiunii de măsurare, pentru care a introdus greutatea aparentă în comparație cu greutatea reală definită de gravitație.
Deși fizica newtoniană a făcut o distincție clară între greutate și masă, termenul greutate a continuat să fie folosită în mod obișnuit atunci când oamenii desemnau de fapt masa. Aceasta a condus la Conferința generală privind greutățile și măsurile (CGPM) din 1901 la a declara oficial că „Cuvântul greutate denumește o cantitate de aceeași natură ca o forță: greutatea unui corp este produsul masei sale și accelerația datorată gravitației „, distingându-l astfel de masă pentru uzul oficial.
Relativitatea
În secolul al XX-lea, conceptele newtoniene ale timpului și spațiului absolut au fost provocate de relativitate. Principiul de echivalență al lui Einstein a pus pe toți observatorii, care se mișcă sau accelerează, pe aceeași bază. Acest lucru a dus la o ambiguitate cu privire la ceea ce se înțelege exact prin forța gravitației și greutate. O scală într-un ascensor accelerat nu poate fi distinsă de o scală dintr-un câmp gravitațional. Forța gravitațională și greutatea au devenit astfel, în esență, cantități dependente de cadre. Acest lucru a determinat abandonarea conceptului ca fiind inutil în științele fundamentale, cum ar fi fizica și chimia. Cu toate acestea, conceptul a rămas important în predarea fizicii.
Traducere din Wikipedia
Lasă un răspuns