Masse gegen Gewicht - Mass versus weight
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Masse eines Objekts oft als sein Gewicht bezeichnet , obwohl es sich tatsächlich um unterschiedliche Konzepte und Größen handelt. In wissenschaftlichen Kontexten ist Masse die Menge an " Materie " in einem Objekt (obwohl "Materie" schwer zu definieren sein kann), während Gewicht die Kraft ist, die durch die Schwerkraft auf ein Objekt ausgeübt wird . Mit anderen Worten, ein Objekt mit einer Masse von 1,0 Kilogramm wiegt ungefähr 9,81 Newton auf der Oberfläche der Erde , die die Masse von der multiplizierten ist Gravitationsfeldstärke . Das Gewicht des Objekts ist auf dem Mars geringer , wo die Gravitation schwächer ist, und mehr auf dem Saturn , und im Weltraum sehr klein, wenn es weit von einer bedeutenden Gravitationsquelle entfernt ist, aber es hat immer die gleiche Masse.
Objekte auf der Erdoberfläche haben ein Gewicht, obwohl das Gewicht manchmal schwer zu messen ist. Ein Beispiel ist ein im Wasser schwimmender kleiner Gegenstand, der kein Gewicht zu haben scheint, da er vom Wasser getragen wird; aber es hat sein übliches Gewicht, wenn es in einem Behälter, der vollständig von einer Waage getragen und gewogen wird, zu Wasser gegeben wird. So verlagert das im Wasser schwimmende „schwerelose Objekt“ sein Gewicht tatsächlich auf den Behälterboden (wo der Druck ansteigt). In ähnlicher Weise hat ein Ballon Masse, kann aber aufgrund des Auftriebs in der Luft kein Gewicht oder sogar ein negatives Gewicht zu haben scheinen . Das Gewicht des Ballons und des darin enthaltenen Gases wurde jedoch lediglich auf einen großen Bereich der Erdoberfläche übertragen, was die Messung des Gewichts erschwert. Das Gewicht eines fliegenden Flugzeugs verteilt sich ähnlich auf den Boden, verschwindet aber nicht. Befindet sich das Flugzeug im Horizontalflug, wird die gleiche Gewichtskraft auf die Erdoberfläche verteilt wie auf der Landebahn, jedoch über eine größere Fläche verteilt.
Eine bessere wissenschaftliche Definition von Masse ist ihre Beschreibung als Maß für die Trägheit , die die Tendenz eines Objekts ist, seinen aktuellen Bewegungszustand nicht zu ändern (bei konstanter Geschwindigkeit zu bleiben), es sei denn, es wird von einer externen unausgeglichenen Kraft beeinflusst. Gravitations-"Gewicht" ist die Kraft, die entsteht, wenn ein Gravitationsfeld auf eine Masse einwirkt und das Objekt nicht frei fallen darf, sondern durch eine mechanische Kraft, wie beispielsweise die Oberfläche eines Planeten, unterstützt oder verzögert wird. Eine solche Kraft stellt ein Gewicht dar. Diese Kraft kann durch jede andere Kraftart ergänzt werden.
Während das Gewicht eines Objekts proportional zur Stärke des Gravitationsfeldes variiert, ist seine Masse konstant, solange dem Objekt keine Energie oder Materie hinzugefügt wird. Obwohl beispielsweise ein Satellit im Orbit (im Wesentlichen ein freier Fall) "schwerelos" ist, behält er dennoch seine Masse und Trägheit. Dementsprechend muss ein Astronaut, der versucht, den Satelliten in eine beliebige Richtung zu beschleunigen, selbst im Orbit immer noch Kraft aufwenden und muss zehnmal so viel Kraft aufwenden, um einen 10-Tonnen-Satelliten mit der gleichen Geschwindigkeit zu beschleunigen wie einen mit einer Masse von nur 1 Tonne.
Überblick
Masse ist (neben anderen Eigenschaften) eine Trägheitseigenschaft ; das heißt, die Tendenz eines Objekts, bei konstanter Geschwindigkeit zu bleiben, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft beeinflusst . Unter Sir Isaac Newtons 334 Jahre alte Bewegungsgesetze und eine wichtige Formel, die seiner Arbeit entsprang, F = ma , ein Körper mit einer Masse m von einem Kilogramm beschleunigt , a , mit einem Meter pro Sekunde pro Sekunde (etwa ein Zehntel der Beschleunigung aufgrund der Erdanziehungskraft ), wenn auf eine Kraft F von einem Newton einwirkt .
Trägheit wird beobachtet, wenn eine Bowlingkugel horizontal auf eine ebene, glatte Oberfläche geschoben wird und sich in horizontaler Bewegung fortsetzt. Dies unterscheidet sich deutlich von seinem Gewicht, das die nach unten gerichtete Schwerkraft der Bowlingkugel ist, der man entgegenwirken muss, wenn sie vom Boden gehalten wird. Das Gewicht der Bowlingkugel auf dem Mond würde ein Sechstel des Gewichts auf der Erde betragen, obwohl ihre Masse unverändert bleibt. Wenn folglich die Physik der Rückstoßkinetik (Masse, Geschwindigkeit, Trägheit, unelastische und elastische Stöße ) dominiert und der Einfluss der Schwerkraft ein vernachlässigbarer Faktor ist, bleibt das Verhalten von Objekten auch bei relativ schwacher Schwerkraft konsistent. Zum Beispiel würden Billardkugeln auf einem Billardtisch nach einem Bruchschuss auf dem Mond mit den gleichen Geschwindigkeiten und Energien zerstreuen und zurückprallen wie auf der Erde; sie würden jedoch viel langsamer in die Taschen fallen.
In den physikalischen Wissenschaften werden die Begriffe „Masse“ und „Gewicht“ streng als getrennte Maße definiert, da es sich um unterschiedliche physikalische Eigenschaften handelt. Im Alltagsgebrauch, da alle Alltagsgegenstände sowohl Masse als auch Gewicht haben und das eine fast exakt proportional zum anderen ist, dient "Gewicht" oft dazu, beide Eigenschaften zu beschreiben, wobei die Bedeutung kontextabhängig ist. Im Einzelhandel beispielsweise bezieht sich das "Nettogewicht" von Produkten tatsächlich auf die Masse und wird in Masseneinheiten wie Gramm oder Unzen ausgedrückt (siehe auch Pfund: Verwendung im Handel ) . Umgekehrt bezieht sich der Tragfähigkeitsindex von Autoreifen, der die maximale strukturelle Belastung eines Reifens in Kilogramm angibt , auf das Gewicht; das heißt, die Kraft aufgrund der Schwerkraft. Vor dem späten 20. Jahrhundert wurde die Unterscheidung zwischen den beiden in der Fachliteratur nicht strikt angewendet, so dass Ausdrücke wie "Molekulargewicht" (für Molekularmasse ) immer noch zu sehen sind.
Da Masse und Gewicht getrennte Größen sind, haben sie unterschiedliche Maßeinheiten. Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Kilogramm die Grundeinheit der Masse und das Newton die Grundeinheit der Kraft. Die Nicht-SI- Kilogramm-Kraft ist auch eine Krafteinheit, die typischerweise zur Gewichtsmessung verwendet wird. In ähnlicher Weise ist das avoirdupois- Pfund , das sowohl im imperialen System als auch in den in den USA üblichen Einheiten verwendet wird , eine Masseneinheit, und die zugehörige Krafteinheit ist die Pfund-Kraft .
Umrechnung von Masseneinheiten in äquivalente Kräfte auf der Erde
Wenn das Gewicht eines Objekts (seine Gravitationskraft) in "Kilogramm" ausgedrückt wird, bezieht sich dies tatsächlich auf die Kilogrammkraft (kgf oder kg-f), auch bekannt als Kilopond (kp), die eine Nicht-SI-Einheit für Kraft ist . Alle Objekte auf der Erdoberfläche unterliegen einer Erdbeschleunigung von ca. 9,8 m/s 2 . Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat den Wert der Normalschwere auf genau 9,80665 m/s 2 festgelegt, damit Disziplinen wie die Metrologie einen Standardwert für die Umrechnung von Einheiten definierter Masse in definierte Kräfte und Drücke haben . Somit wird die Kilogrammkraft mit genau 9,80665 Newton definiert. In Wirklichkeit variiert die Gravitationsbeschleunigung (Symbol: g ) geringfügig mit der Breite , Höhe und der Dichte unter der Oberfläche; diese Schwankungen betragen typischerweise nur wenige Zehntel Prozent. Siehe auch Gravimetrie .
Ingenieure und Wissenschaftler verstehen die Unterschiede zwischen Masse, Kraft und Gewicht. Ingenieure in Disziplinen die Gewichtsbelastung (Kraft , die auf einer Struktur aufgrund der Schwerkraft), wie bautechnische , wandeln die Masse von Objekten wie Beton und Automobil (ausgedrückt in Kilogramm) mit einer Kraft in Newton (durch um einen Faktor rund 9,8 multipliziert; 2 für solche Berechnungen reichen meist signifikante Zahlen aus), um die Belastung des Objekts abzuleiten. Materialeigenschaften wie der Elastizitätsmodul werden in Newton und Pascal (einer Druckeinheit bezogen auf Newton) gemessen und veröffentlicht .
Auftrieb und Gewicht
Normalerweise ist das Verhältnis zwischen Masse und Gewicht auf der Erde sehr proportional; Objekte, die hundertmal massereicher sind als eine 1-Liter-Flasche Soda, wiegen fast immer hundertmal mehr – etwa 1.000 Newton, das ist das Gewicht, das man auf der Erde von einem Objekt mit einer Masse von etwas mehr als 100 Kilogramm erwarten würde. Dies ist jedoch nicht immer der Fall und es gibt bekannte Objekte, die diese Masse/Gewichts- Proportionalität verletzen .
Ein gewöhnlicher heliumgefüllter Spielzeugballon ist vielen bekannt. Wenn ein solcher Ballon vollständig mit Helium gefüllt ist, hat er Auftrieb – eine Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Wenn ein Spielzeugballon teilweise entleert wird, wird er oft neutral schwimmfähig und kann ein oder zwei Meter über dem Boden im Haus herumschweben. In einem solchen Zustand gibt es Momente, in denen der Ballon weder steigt noch sinkt und – in dem Sinne, dass auf eine darunter platzierte Waage keine Kraft ausgeübt wird – in gewissem Sinne vollkommen schwerelos ist (eigentlich hat das Gewicht, wie unten erwähnt, lediglich entlang der Erdoberfläche neu verteilt, so dass sie nicht gemessen werden kann). Obwohl der Gummi, aus dem der Ballon besteht, nur eine Masse von wenigen Gramm hat, was fast nicht wahrnehmbar ist, behält der Gummi im aufgeblasenen Zustand immer noch seine ganze Masse.
Im Gegensatz zu den Auswirkungen, die Umgebungen mit geringer Schwerkraft auf das Gewicht haben, führt der Auftrieb nicht dazu, dass ein Teil des Gewichts eines Objekts verschwindet; das fehlende Gewicht wird stattdessen vom Boden getragen, wodurch weniger Kraft (Gewicht) auf jede theoretisch unter dem fraglichen Objekt platzierte Waage ausgeübt wird (obwohl man vielleicht einige Probleme mit den praktischen Aspekten haben kann, etwas in diesem Zustand genau einzeln zu wiegen) ). Wenn man jedoch ein kleines Planschbecken wiegen würde, in das jemand dann eintrat und darin zu schwimmen begann, würde man feststellen, dass das volle Gewicht der Person vom Becken und letztendlich von der darunter liegenden Waage getragen wurde. Während ein schwimmfähiges Objekt (auf einer ordnungsgemäß funktionierenden Waage zum Wiegen schwimmfähiger Objekte) weniger wiegen würde, wird das Objekt- / Flüssigkeitssystem um den Wert der Gesamtmasse des Objekts schwerer, sobald das Objekt hinzugefügt wird. Da Luft ein Fluid ist, gilt dieses Prinzip auf Objekt / Luftsysteme als auch, Große Luftmengen – und letztendlich der Boden – tragen das Gewicht, das ein Körper durch den Auftrieb in der Luft verliert.
Die Auswirkungen des Auftriebs wirken sich nicht nur auf Ballons aus; Sowohl Flüssigkeiten als auch Gase sind in den physikalischen Wissenschaften Flüssigkeiten , und wenn alle Makro-Objekte, die größer als Staubpartikel sind, in Flüssigkeiten auf der Erde eingetaucht sind, haben sie einen gewissen Auftrieb. Im Falle eines Schwimmers, der in einem Schwimmbecken schwimmt, oder eines Ballons, der in der Luft schwimmt, kann der Auftrieb für eine Wägevorrichtung im Schwimmbecken dem Schweregewicht des zu wiegenden Objekts vollständig entgegenwirken. Wie bereits erwähnt, unterscheidet sich ein von einer Flüssigkeit getragener Gegenstand jedoch grundsätzlich nicht von einem von einer Schlinge oder einem Kabel getragenen Gegenstand – das Gewicht wurde lediglich an einen anderen Ort verlagert, nicht zum Verschwinden gebracht.
Die Masse der „schwerelosen“ (neutral schwimmfähigen) Ballons lässt sich mit viel größeren Heißluftballons besser einschätzen. Obwohl sie beim Schweben über dem Boden keine Anstrengung erfordern, um ihrem Gewicht zu begegnen (wenn sie oft innerhalb von hundert Newton von Null liegen können), kann die Trägheit, die mit ihrer beachtlichen Masse von mehreren hundert Kilogramm oder mehr verbunden ist, erwachsene Männer umhauen ihre Füße, wenn sich der Korb des Ballons horizontal über dem Boden bewegt.
Der Auftrieb und die daraus resultierende Verringerung der nach unten gerichteten Kraft von Wägeobjekten liegt dem Prinzip von Archimedes zugrunde , das besagt, dass die Auftriebskraft gleich dem Gewicht der Flüssigkeit ist, die das Objekt verdrängt. Wenn dieses Fluid Luft ist, kann die Kraft klein sein.
Auftriebseffekte von Luft auf die Messung
Normalerweise ist die Wirkung des Luftauftriebs auf Objekte normaler Dichte zu gering, um bei alltäglichen Aktivitäten von Bedeutung zu sein. Zum Beispiel Auftrieb abnehmende Wirkung auf dem Körpergewicht der ein (ein relativ niedriges Dichte Objekt) ist 1 / 860 die Schwerkraft (für reines Wasser ist es etwa 1 / 770 , dass die Schwerkraft). Darüber hinaus beeinflussen Schwankungen des Luftdrucks das Gewicht einer Person selten mehr als ±1 von 30.000. In der Metrologie (der Messwissenschaft) werden die Präzisionsmassennormale zum Kalibrieren von Laborwaagen jedoch mit einer solchen Genauigkeit hergestellt, dass die Luftdichte berücksichtigt wird, um Auftriebseffekte zu kompensieren. Angesichts der extrem hohen Kosten von Platin-Iridium-Massennormalen wie dem internationalen Prototyp des Kilogramms ( dem Massennormal in Frankreich, das die Größe des Kilogramms definierte) werden hochwertige "Arbeitsnormale" aus speziellen Edelstahllegierungen mit Dichten von . hergestellt etwa 8.000 kg/m 3 , die ein größeres Volumen einnehmen als solche aus Platin-Iridium, die eine Dichte von etwa 21.550 kg/m 3 aufweisen . Der Einfachheit halber wurde für die Messtechnik ein Standardwert des Auftriebs gegenüber Edelstahl entwickelt, woraus sich der Begriff "konventionelle Masse" ergibt. Konventionelle Masse wird wie folgt definiert: "Bei einer Masse bei 20 °C ist 'konventionelle Masse' die Masse eines Bezugsnormals der Dichte 8000 kg/m 3 , die es in Luft mit einer Dichte von 1,2 kg/m 3 ausgleicht ." Der Effekt ist gering, 150 ppm für Edelstahl-Massennormale, aber die entsprechenden Korrekturen werden während der Herstellung aller Präzisions-Massenormale vorgenommen, damit sie die wahre beschriftete Masse haben.
Immer wenn eine hochpräzise Waage (oder Waage) im routinemäßigen Laboreinsatz mit Edelstahlstandards kalibriert wird, wird die Waage tatsächlich auf konventionelle Masse kalibriert; das heißt, wahre Masse minus 150 ppm Auftrieb. Da Objekte mit exakt gleicher Masse, aber unterschiedlicher Dichte unterschiedliche Volumina verdrängen und somit unterschiedliche Auftriebe und Gewichte haben, wird bei jedem auf dieser Waage gemessenen Objekt (im Vergleich zu einem Edelstahl-Massennormal) seine konventionelle Masse gemessen; das heißt, seine wahre Masse abzüglich eines unbekannten Auftriebs. Bei hochgenauen Arbeiten kann das Volumen des Artikels gemessen werden, um den Auftriebseffekt mathematisch zu nullen.
Arten von Waagen und was sie messen
Wenn man steht auf einer Balance-beam -Typs Skala bei einer Arztpraxis, haben sie ihre Masse direkt gemessen. Dies liegt daran, dass Waagen ("Dual-Pan"-Massekomparatoren) die auf die Person auf der Plattform ausgeübte Schwerkraft mit der auf die verschiebbaren Gegengewichte auf den Balken vergleichen; Die Schwerkraft ist der krafterzeugende Mechanismus, der es der Nadel ermöglicht, vom "ausgeglichenen" (Null-)Punkt abzuweichen. Diese Waagen könnten vom Erdäquator zu den Polen verschoben werden und liefern genau das gleiche Maß, dh sie würden nicht fälschlicherweise anzeigen, dass der Patient des Arztes 0,3% schwerer wurde; sie sind immun gegen die der Schwerkraft entgegenwirkende Zentrifugalkraft aufgrund der Rotation der Erde um ihre Achse. Wenn Sie jedoch auf federbasierte oder digitale Wägezellenwaagen (Einschalengeräte) steigen, wird Ihr Gewicht (Schwerkraft) gemessen; und Schwankungen in der Stärke des Gravitationsfeldes beeinflussen die Ablesung. In der Praxis werden solche Waagen beim Einsatz im Handel oder in Krankenhäusern oft vor Ort justiert und auf dieser Grundlage zertifiziert, damit die gemessene Masse, ausgedrückt in Pfund oder Kilogramm, die gewünschte Genauigkeit aufweist.
Verwendung im Handel
In den Vereinigten Staaten von Amerika haben das Handelsministerium der Vereinigten Staaten , die Technology Administration und das National Institute of Standards and Technology (NIST) die Verwendung von Masse und Gewicht beim Warenaustausch gemäß den Uniform Laws and Regulations in den Bereichen des gesetzlichen Messwesens und der Motorkraftstoffqualität in NIST Handbook 130.
Im NIST-Handbuch 130 heißt es:
V. „Masse“ und „Gewicht“. [HINWEIS 1, Siehe Seite 6]
Die Masse eines Objekts ist ein Maß für die Trägheitseigenschaft des Objekts oder die Menge an Materie, die es enthält. Das Gewicht eines Objekts ist ein Maß für die Kraft, die durch die Schwerkraft auf das Objekt ausgeübt wird, oder die Kraft, die erforderlich ist, um es zu tragen. Die Erdanziehungskraft verleiht einem Objekt eine Abwärtsbeschleunigung von etwa 9,8 m/s 2 . Im Handel und im täglichen Gebrauch wird der Begriff „Gewicht“ häufig als Synonym für „Masse“ verwendet. Die auf einem Etikett angegebene "Nettomasse" oder "Nettogewicht" weist darauf hin, dass das Paket eine bestimmte Menge an Waren enthält, ausgenommen Verpackungsmaterialien. Die Verwendung des Begriffs "Masse" ist weltweit vorherrschend und wird in den Vereinigten Staaten immer häufiger verwendet. (Hinzugefügt 1993)
W. Verwendung der Begriffe „Masse“ und „Gewicht“. [HINWEIS 1, Siehe Seite 6]
In diesem Handbuch bedeutet der Begriff "Gewicht" "Masse". Der Begriff "Gewicht" erscheint, wenn Zoll-Pfund-Einheiten angegeben werden oder wenn sowohl Zoll-Pfund- als auch SI-Einheiten in einer Anforderung enthalten sind. Die Begriffe „Masse“ oder „Masse“ werden verwendet, wenn in einer Anforderung nur SI-Einheiten genannt werden. Der folgende Hinweis erscheint dort, wo der Begriff "Gewicht" zum ersten Mal in einem Gesetz oder einer Verordnung verwendet wird.
ANMERKUNG 1: In diesem Gesetz (oder dieser Verordnung) bedeutet der Begriff "Gewicht" "Masse". (Siehe Absatz V. und W. in Abschnitt I., Einführung, von NIST Handbook 130 für eine Erläuterung dieser Begriffe.) (Hinzugefügt 1993) 6"
Das US-Bundesgesetz, das dieses Handbuch ersetzt, definiert auch das Gewicht, insbesondere das Nettogewicht, in Form von avoirdupois pound oder mass pound. Von 21CFR101 Teil 101.105 – Angabe der Nettoinhaltsmenge, wenn ausgenommen :
(a) Auf der Hauptanzeigetafel eines Lebensmittels in Verpackungsform ist die Nettoinhaltsmenge anzugeben. Dies muss in Form von Gewicht, Maß, numerischer Zählung oder einer Kombination aus numerischer Zählung und Gewicht oder Maß ausgedrückt werden. Die Angabe erfolgt in flüssiger Form, wenn das Lebensmittel flüssig ist, oder in Gewicht, wenn das Lebensmittel fest, halbfest oder viskos oder ein Gemisch aus fest und flüssig ist; es sei denn, diese Angabe kann in Trockenmasse erfolgen, wenn es sich bei dem Lebensmittel um frisches Obst, frisches Gemüse oder andere trockene Ware handelt, die üblicherweise in Trockenmasse verkauft wird. Wenn es allgemeiner Verbraucher- und Handelsbrauch ist, den Inhalt einer Flüssigkeit nach Gewicht oder eines festen, halbfesten oder viskosen Produkts durch Flüssigkeitsmaß anzugeben, kann es verwendet werden. Wenn der Kommissar feststellt, dass eine bestehende Praxis der Angabe der Nettomenge des Inhalts nach Gewicht, Maß, numerischer Zählung oder einer Kombination im Falle eines bestimmten verpackten Lebensmittels Wertvergleiche für die Verbraucher nicht erleichtert und Gelegenheit zur Verwirrung der Verbraucher bietet, wird er durch Verordnung den geeigneten Begriff oder die geeigneten Begriffe für diese Ware bezeichnen.
(b)(1) Gewichtsangaben erfolgen in Pfund und Unze.
Siehe auch 21CFR201 Teil 201.51 – „Deklaration der Nettoinhaltsmenge“ für allgemeine Kennzeichnungs- und Verordnungskennzeichnungsanforderungen.