Ağırlık

Ağırlık
Bir yay ölçeği bir nesnenin ağırlığını ölçer.
Ortak semboller	$W$
SI birimi	newton (N)
Diğer birimler	paund kuvvet (lbf)
SI temel birimler	kg⋅m⋅s−2
SI Boyut	${\mathsf {MLT}}^{-2}$
Kapsam?	Yes
Yoğunluk?	No
Muhafaza?	No
Kaynaklı türevler Diğer miktarlar	$W=mg$ $W=ma$

Bilim ve mühendislikte, bir nesnenin ağırlığı, yerçekimi nedeniyle veya nesneyi yerinde tutan bir reaksiyon kuvvetiyle nesneye etki eden kuvvetle ilgilidir.

Bazı standart ders kitapları , ağırlığı nesneye etki eden yerçekimi kuvveti olan bir vektör miktarı olarak tanımlar. Diğerleri ağırlığı, kütleçekim kuvvetinin büyüklüğü olan skaler bir miktar olarak tanımlar. Diğerleri bunu, bir vücuda uygulanan reaksiyon kuvvetinin büyüklüğü olarak, yerinde tutan mekanizmalar olarak tanımlar: ağırlık, örneğin bir yay ölçeği ile ölçülen miktardır. Böylece, serbest düşüş durumunda, ağırlık sıfır olur. Bu ağırlık anlamında, karasal nesneler ağırlıksız olabilir: hava direncini göz ardı ederek, ağaçtan düşen ünlü elma, Isaac Newton'a yakın bir yerde buluşma yolunda ağırlıksız olacaktır.

Ağırlık için ölçü birimi, Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) yeni olan kuvvettir. Örneğin, bir kilogram kütleye sahip bir nesnenin Dünya yüzeyinde yaklaşık 9.8 Newton ve Ay'da yaklaşık altıda biri kadar bir ağırlığı vardır. Ağırlık ve kütle, bilimsel olarak ayrı miktarlar olmasına rağmen, günlük kullanımda terimler genellikle birbirleriyle karıştırılmaktadır (yani, kilo cinsinden kuvvet ağırlığını kilogram cinsinden kütleye karşılaştırmak veya tersine çevirmek).

Çeşitli ağırlık kavramlarının aydınlatılmasındaki diğer komplikasyonlar, yerçekiminin uzay-zamanının eğriliğinin bir sonucu olarak modellenmesine bağlı olan görelilik teorisi ile ilgilidir. Öğretim topluluğunda, yarım yüzyıldan fazla bir süredir öğrencileri için ağırlığın nasıl belirleneceği konusunda önemli bir tartışma var. Mevcut durum, çok sayıda kavramın birlikte var olması ve çeşitli bağlamlarda kullanım bulmasıdır.

Tarihçe

Ağırlık ve hafiflik (ağırlık) kavramlarının tartışılması, eski Yunan filozoflarına dayanmaktadır. Bunlar tipik olarak nesnelerin doğal özellikleri olarak görülüyordu. Plato, ağırlığı nesnelerin soydaşı arama eğilimi olarak tanımladı. Aristo'ya göre, ağırlık, temel unsurların doğal düzenini geri alma eğilimini temsil ediyordu: hava, toprak, ateş ve su gibi. Toprağa mutlak ağırlık ve ateş etmeye mutlak ağırlık yükler. Arşimed ağırlığı yüzdürmeye karşı bir nitelik olarak gördü, ikisi arasında bir nesnenin battığını veya yüzdüğünü belirleyen arasındaki çatışma idi. Ağırlığın ilk operasyonel tanımı, ağırlığını şu şekilde tanımlayan Euclid tarafından verildi: "ağırlık bir dengenin ölçtüğü şekilde, bir şeyin diğerine kıyasla ağırlık veya hafifliğidir." Operasyonel dengeler (tanımlardan ziyade) çok daha uzun zamandır olmuştur.

Aristo'ya göre ağırlık, bir nesnenin düşme hareketinin doğrudan nedenidir, düşen nesnenin hızının doğrudan nesnenin ağırlığına orantılı olması gerekiyordu. Ortaçağ bilim adamları, pratikte düşen bir nesnenin hızının zamanla arttığını keşfettiğinde, bu sebep-sonuç ilişkisini sürdürmek için ağırlık kavramında bir değişikliğe yol açtı. Yerçekimi kavramı nihayetinde Jean Buridan'ın itici gücü ile yer değiştirdi ve momentum için bir öncü oldu.

Kopernik dünya görüşünün yükselişi, Platonik fikrin yeniden canlanmasına neden oldu; 17. yüzyılda Galileo, ağırlık kavramında önemli gelişmeler kaydetti. Hareketli bir nesnenin ağırlığı ile hareketsiz bir nesne arasındaki farkı ölçmenin bir yolunu önerdi. Nihayetinde, Aristoteles fiziği görüşünün varsaydığı gibi, hareket hızının bir nesnenin konusu ile orantılı olduğu sonucuna vardı.

Newton

Newton'un hareket yasalarının getirilmesi ve Newton'un evrensel çekim kuvveti yasasının geliştirilmesi ağırlık kavramının daha da gelişmesine yol açmıştır. Ağırlık temelde kütleden ayrı hale geldi. Kütle, ataletlerine bağlı nesnelerin temel bir özelliği olarak tanımlanırken, ağırlık bir nesneye ağırlık kuvveti ile ve dolayısıyla nesnenin içeriğine bağlı olarak tanımlanmıştır. Özellikle, Newton ağırlığın yerçekimsel çekmeye neden olan başka bir nesneye göre olduğunu, düşünüyordu. örneğin; Dünyanın Güneşe Doğru Ağırlığı.

Newton zaman ve mekanın mutlak olduğunu düşünüyordu. Bu, kavramları gerçek konum ve gerçek hız olarak görmesini sağladı. Newton ayrıca tartım eylemiyle ölçülen ağırlığın, yüzdürme gibi çevresel faktörlerden etkilendiğini de fark etti. Bunu, yerçekimi tarafından tanımlanan gerçek ağırlıkla kıyaslandığında görünür ağırlık terimini tanıttığı, eksik ölçüm koşullarının neden olduğu yanlış bir ağırlık olarak kabul etti.

Newton fiziği ağırlık ve kütle arasında belirgin bir ayrım yapsa da, ağırlık terimi insanlar kütle anlamına geldiğinde yaygın olarak kullanılmaya devam etti. Bu, 1901 tarihli 3. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nın (CGPM) resmen ilan edilmesine neden oldu: "Ağırlık kelimesi, bir güçle aynı nitelikteki bir miktarı ifade eder: Bir bedenin ağırlığı, kütlesinin ürünüdür ve yerçekimi nedeniyle ivmelenmedir. "bu yüzden resmi kullanım için kütleden ayırıyor.

İzafiyet

20. yüzyılda, Newton'un mutlak zaman ve mekan kavramları görelilik tarafından sorgulandı. Einstein'ın denklik prensibi tüm gözlemcileri hareket ettiren veya hızlandıran aynı temele oturtur. Bu, ağırlık ve ağırlık kuvveti ile tam olarak neyin kastedildiğine dair bir belirsizliğe yol açtı. Hızlanan bir asansördeki bir ölçek, çekim alanındaki bir ölçekden ayırt edilemez. Yerçekimi kuvveti ve ağırlığı böylece temel olarak çerçeveye bağlı miktarlar haline geldi. Bu, fizik ve kimya gibi temel bilimlerde gereksiz olarak kavramın terk edilmesine yol açtı. Bununla birlikte, kavram fizik öğretiminde önemli kalmıştır. İzafiyetin getirdiği belirsizlikler, 1960'lı yıllardan başlayarak, öğretmen topluluğunda öğrencileri için ağırlığın nasıl tanımlanacağına dair önemli tartışmalara yol açtı. Yerçekiminden kaynaklanan kuvvet olarak nominal bir ağırlık tanımı veya tartım eylemiyle tanımlanan operasyonel bir tanımdır.

Tanımlar

Ağırlık için, hepsi eşdeğeri olmayan birkaç tanım vardır.

Yerçekimi tanımı

Giriş fizik ders kitaplarında bulunan en yaygın ağırlık tanımı, ağırlığı bir cisme yerçekimi tarafından uygulanan kuvvet olarak tanımlar. Bu genellikle W = mg formülünde ifade edilir, burada W ağırlık, nesnenin kütlesi ve g yerçekimi ivmesidir.

1901'de, 3. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı (CGPM) bunu resmi ağırlık tanımı olarak belirledi:

Ağırlık kelimesi, bir kuvvete benzer nitelikte bir miktarı ifade eder: Bir cisimin ağırlığı, kütlesinin çarpımı ve yerçekiminden kaynaklanan ivmedir.

— Ağırlıklar ve Ölçülerle İlgili 3. Genel Konferansın 2. Kararı

Bu çözünürlük ağırlığı bir vektör olarak tanımlar, çünkü kuvvet bir vektör miktarıdır. Bununla birlikte, bazı ders kitapları aşağıdakileri tanımlayarak skaler olmak için de ağırlık almaktadır:

Bir cismin ağırlığı W, cisimdeki yerçekimi kuvvetinin F_g büyüklüğüne eşittir.

Yerçekimi ivmesi yerden yere değişir. Bazen, basitçe standart ağırlığı veren 9.80665 m/s² standart değerine sahip olur.

Büyüklüğü mg newton'a eşit olan kuvvet, aynı zamanda, m kilogram ağırlığı olarak da bilinir (bu, ağırlık-kg olarak kısaltılır)

Operasyonel tanım

İşlemsel tanımda, bir nesnenin ağırlığı, ağırlığının çalışmasıyla ölçülen, yani desteği üzerine aldığı kuvvettir. Çünkü, W = yeryüzünün ortasındaki cisim üzerinde aşağı doğru kuvvet ve cisimde bir ivme yok. Böylece, cisimin üzerindeki desteğin zıt ve eşit kuvveti var. Aynı zamanda, cisim tarafından desteğinde uygulanan kuvvete eşittir, çünkü eylem ve reaksiyon aynı sayısal değerde ve zıt yöndedir. Bu, ayrıntılara bağlı olarak önemli bir fark yaratabilir; örneğin, serbest düşüşte olan bir nesne, desteği üzerinde herhangi bir kuvvet varsa, genellikle ağırlıksızlık olarak adlandırılan bir durumsa, çok az çaba sarf eder. Bununla birlikte, serbest düşüşte olmak yerçekimi tanımına göre ağırlığı etkilemez. Bu nedenle, operasyonel tanım bazen nesnenin hareketsizliğini gerektirerek düzeltilir. Bununla birlikte, bu, "hareketsizlik" tanımlanması sorununu gündeme getirmektedir (genellikle Dünya'ya göre hareketsiz olmak, standart yerçekimi kullanılarak ima edilir). Operasyonel tanımda, merkez yüzeyinde durmakta olan bir cismin ağırlığı, merkezkaç kuvvetinin Dünya'nın rotasyonundan etkisiyle azalır.

Genelde verilen operasyonel tanım, hava veya su gibi bir sıvıya daldırıldığında bir nesnenin ölçülen ağırlığını azaltan kaldırma kuvvetinin etkilerini açıkça dışlamaz. Sonuç olarak, yüzen bir balon veya suda yüzen bir nesnenin sıfır ağırlığa sahip olduğu söylenebilir.

ISO tanımı

Mekanikteki temel fiziksel miktarları ve birimleri Uluslararası ISO / IEC 80000 standardının bir parçası olarak tanımlayan ISO Uluslararası Standart ISO 80000-4'te (2006), ağırlık tanımı şöyle verilmiştir:

Tanım

$F_{g}=mg\,$,

burda m kütle ve g ise serbest düşüşün yerel ivmesidir.

Uyarılar

• Referans çerçevesi Dünya olduğunda, bu miktar sadece yerel çekim kuvveti değil, aynı zamanda Dünya'nın dönmesi nedeniyle yerel santrifüj kuvveti, enlem ile değişen bir kuvveti içerir.
• Atmosferik yüzdürme etkisinin ağırlığı ağırlıkta hariç tutulmuştur.
• Genel olarak, "ağırlık" adı, "kütlenin" kastedildiği yerde kullanılmaya devam eder, ancak bu uygulama kullanımdan kaldırılmıştır.

— ISO 80000-4 (2006)

Tanım, seçilen referans çerçevesine bağlıdır. Seçilen çerçeve söz konusu nesneyle birlikte hareket ettiğinde, bu tanım tam olarak operasyonel tanımı kabul eder. Belirtilen çerçeve Dünya'nın yüzeyi ise, ISO ve yerçekimi tanımlarına göre ağırlık, yalnızca Dünya'nın dönüşünden kaynaklanan merkezkaç etkileriyle farklılık gösterir.

Görünür ağırlık

Birçok gerçek dünyada, tartım işlemi kullanılan tanımın sağladığı ideal değerden farklı bir sonuç verebilir. Bu genellikle nesnenin görünen ağırlığı olarak adlandırılır. Bunun yaygın bir örneği, yüzdürme etkisinin, bir nesnenin bir akışkanın içine daldırılması durumunda, akışkanın yer değiştirmesi nesne üzerinde yukarı doğru bir kuvvete neden olacak ve böylece bir ölçekte tartıldığında daha hafif görünmesini sağlayacaktır. Görünen ağırlık, benzer şekilde kaldırma ve mekanik süspansiyondan etkilenebilir. Kütleçekimsel ağırlık tanımı kullanıldığında, hızlanma ölçeği ile ölçülen operasyonel ağırlık genellikle görünen ağırlık olarak da adlandırılır.

Kütle

Modern bilimsel kullanımda, ağırlık ve kütle temelde farklı miktarlardadır: kütle maddenin özünde bir özelliktir, oysa ağırlık yerçekiminin madde üzerindeki etkisinden kaynaklanan bir kuvvettir: yerçekimi kuvvetinin bu konudaki kuvvetini ne kadar kuvvetle çekdiğini ölçer. Bununla birlikte, çoğu pratik günlük durumlarda, "ağırlık" kelimesi, kesinlikle, "kütle" anlamına geldiğinde kullanılır. Örneğin, çoğu insan kilogram bir kütle birimi olsa bile, bir nesnenin "bir kilogram ağırlığında" olduğunu söyler.

Ağırlık ve kütle arasındaki ayrım birçok pratik amaç için önemsizdir, çünkü yerçekiminin gücü Dünya yüzeyinde çok fazla değişmez. Düzgün bir yerçekimi alanında, bir nesneye uygulanan yerçekimi kuvveti (ağırlığı), kütlesi ile doğru orantılıdır. Örneğin, A nesnesi, B nesnesi kadar 10 kat daha ağırdır, bu nedenle A nesnesi kütlesi, B nesnesinin 10 katıdır. Bu, bir nesnenin kütlesinin dolaylı olarak ağırlığına göre ölçülebildiği anlamına gelir ve bu nedenle günlük amaçlar için tartım (tartım ölçeği kullanarak) kütlenin ölçülmesinin tamamen kabul edilebilir bir yoludur. Benzer şekilde, bir denge ölçülen maddenin ağırlığını bilinen kütlenin bir nesnesinin kiyle karşılaştırarak dolaylı olarak kütleyi ölçer. Ölçülen madde ve karşılaştırma kütlesi hemen hemen aynı yerde olduğundan, aynı yerçekimi alanını yaşadığından, değişen yerçekiminin etkisi karşılaştırmayı veya elde edilen ölçümü etkilemez.

Dünyanın yerçekimi alanı tekdüze değildir, ancak Dünya üzerindeki farklı yerlerde %0,5'e kadar değişebilir (bkz. Dünya'nın yerçekimi). Bu varyasyonlar ağırlık ve kütle arasındaki ilişkiyi değiştirir ve kütleyi dolaylı olarak ölçmesi amaçlanan yüksek hassasiyetli ağırlık ölçümlerinde dikkate alınmalıdır. Yerel ağırlığı ölçen yaylı teraziler, ticaretin yasal olması için, bu standart ağırlığı göstermek için nesnelerin kullanılacağı yerde kalibre edilmelidir.

Bu tablo, Dünya yüzeyindeki çeşitli yerlerde yerçekimi (ve dolayısıyla ağırlığın değişmesi) nedeniyle ivme değişimini göstermektedir.

Konum	Enlem	m/s2
Ekvator	0°	9.7803
Sidney	33°52′ S	9.7968
Aberdeen	57°9′ N	9.8168
Kuzey Kutbu	90° N	9.8322

"Ağırlık" için "kütle" nin tarihi kullanımı da bazı bilimsel terminolojide devam eder - örneğin, "atom ağırlığı", "moleküler ağırlık" gibi kimyasal terimler, ve "formül ağırlığı", tercih edilen "atomik kütle" vs. yerine hala bulunabilir.

Farklı bir çekim alanında, örneğin Ay'ın yüzeyinde bir cisim Dünya'dan çok daha farklı bir ağırlığa sahip olabilir. Ay yüzeyindeki yerçekimi, Dünya yüzeyindeki kuvvetin sadece altıda biri kadardır. Bir kilogramlık bir kütle hala bir kilogramlık bir kütledir (kütle, nesnenin kendine özgü bir özelliği olduğu için), ancak yerçekimine ve dolayısıyla ağırlığına bağlı olarak aşağıya doğru kuvvet, nesnenin Dünya'da sahip olacağının sadece altıda biri kadardır. Yani 180 kilo kütle olan bir adam, Ay'ı ziyaret ederken sadece 30 kilo kuvvet alıyor.

SI birimleri

Modern bilimsel çalışmaların çoğunda, fiziksel birimler SI birimlerinde ölçülür. SI ağırlık birimi aynıdır: newton (N) - SI baz birimlerinde kg⋅m/s² olarak da ifade edilebilen türetilmiş bir birimdir (saniye kare başına kilogram çarpı metre).

Ticari ve günlük kullanımda, "ağırlık" terimi genellikle kütle anlamına gelir ve "tartmak" fiili "veya" kütlesinin olması "kütlesinin belirlenmesi anlamına gelir. Bu anlamda kullanıldığında uygun SI birimi kilogramdır (kg).

Dünyadaki ve diğer gök cisimlerindeki bağıl ağırlıklar

Aşağıdaki tablo Güneş'in, Dünya'nın ayının ve güneş sistemindeki gezegenlerin her birinin yüzeyindeki karşılaştırmalı çekim ivmelerini göstermektedir. “Yüzey” gaz devlerinin (Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün) bulut tepeleri anlamına gelir. Güneş için yüzey fotosfer anlamına gelir. Tablodaki değerler gezegensel rotasyonun santrifüj etkisi (ve gaz devleri için bulut-üstü rüzgar hızları) için derecelendirilmemiştir ve bu nedenle, genel olarak konuşursak, kutupların yakınında yaşanacak gerçek yerçekimine benzer.

CİSİM	Yerçekimi katsayısı	Yüzey yerçekimi m/s2
Güneş	27.90	274.1
Merkür	0.3770	3.703
Venüs	0.9032	8.872
Dünya	1 (tanım olarak)	9.8226
Ay	0.1655	1.625
Mars	0.3895	3.728
Jüpiter	2.640	25.93
Satürn	1.139	11.19
Uranus	0.917	9.01
Neptün	1.148	11.28