Masse contre poids

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Dans l'usage courant, la masse d'un objet est souvent appelée son poids, bien qu'il s'agisse en fait de concepts et de quantités différents. Dans des contextes scientifiques, la masse se réfère vaguement à la quantité de "matière" dans un objet (bien que "la matière" puisse être difficile à définir), tandis que le poids fait référence à la force exercée sur un objet par gravité.[1] En d'autres termes, un objet d'une masse de 1,0 kilogramme pèsera environ 9,81 newtons à la surface de la Terre (sa masse sera multipliée par l'intensité du champ gravitationnel), puisque le newton est une unité de force, tandis que le kilogramme est une unité de Masse. Le poids de l'objet sera moindre sur Mars (où la gravité est plus faible), plus sur Saturne et négligeable dans l'espace, loin de toute source de gravité significative, mais il aura toujours la même masse.

Les objets à la surface de la Terre ont un poids, bien que ce poids soit parfois difficile à mesurer. Un exemple est un petit objet flottant dans l'eau, qui ne semble pas avoir de poids puisqu'il est porté par l'eau; mais il se trouve avoir son poids habituel lorsqu'il est ajouté à l'eau dans un récipient entièrement supporté et pesé sur une balance. Ainsi, «l'objet en apesanteur» flottant dans l'eau transfère en réalité son poids au fond du conteneur (où la pression augmente). De même, un ballon a une masse mais peut sembler n'avoir aucun poids ou même négatif poids, dû à la flottabilité dans l'air. Cependant, le poids du ballon et le gaz à l'intérieur ont simplement été transférés sur une grande partie de la surface de la Terre, rendant le poids difficile à mesurer. Le poids d'un avion volant est également distribué au sol, mais ne disparaît pas. Si l'avion est en vol en palier, la même force de poids est distribuée à la surface de la Terre que lorsque l'avion était sur la piste, mais s'est étendue sur une plus grande surface.

Une meilleure définition scientifique de la masse est sa description comme étant composée d'inertie, qui est la résistance d'un objet accéléré lorsqu'il est sollicité par une force externe. Le "poids" gravitationnel est la force créée par l'action d'un champ gravitationnel sur une masse et il est interdit à l'objet de tomber librement, mais il est supporté ou retardé par une force mécanique, telle que la surface d'une planète. Une telle force constitue un poids.[2] Cette force peut être ajoutée à tout autre type de force.

Tandis que le poids d'un objet varie proportionnellement à la force du champ gravitationnel, son Masse est constante (en ignorant les effets relativistes) tant qu'aucune énergie ou matière n'est ajoutée à l'objet.[3] Par exemple, même si un satellite en orbite (essentiellement une chute libre) est "sans poids", il conserve encore sa masse et son inertie. Par conséquent, même en orbite, un astronaute essayant d’accélérer le satellite dans n’importe quelle direction devra encore exercer une force et devra exercer dix fois plus de force pour accélérer un satellite de 10 tonnes au même rythme qu’un satellite. de seulement 1 tonne.

Sur Terre, un siège pivotant peut démontrer cette relation entre force, masse et accélération. Si on se tenait derrière un grand adulte assis sur une balançoire et le poussait fort, l'adulte accélèrerait temporairement à une vitesse assez basse, puis se balancerait seulement sur une courte distance avant de commencer à se balancer dans la direction opposée. Appliquer le même élan à un petit enfant produirait une vitesse beaucoup plus grande.

Aperçu

La masse de la matière influence fortement de nombreuses propriétés cinétiques familières.

La masse est (entre autres propriétés) un inertiel propriété; c'est-à-dire la tendance d'un objet à rester à vitesse constante, sauf s'il est sollicité par une force extérieure. Sous les lois du mouvement de Sir Isaac Newton, vieilles de 331 ans, et une formule importante issue de son travail, F = ma, un objet avec une masse, m, d'un kilogramme va accélérer, une, à un mètre par seconde par seconde (environ un dixième de l'accélération due à la gravité de la terre)[4] lorsqu'il est agi par une force, F, d'un newton.

L'inertie se voit lorsqu'une boule de bowling est poussée horizontalement sur une surface plane et lisse et continue en mouvement horizontal. Ceci est tout à fait différent de son poids, qui est la force gravitationnelle vers le bas de la boule de bowling à laquelle on doit faire face en le tenant par terre. Le poids de la boule de bowling sur la Lune serait le sixième de celui de la Terre, bien que sa masse reste inchangée. Par conséquent, chaque fois que la physique de cinétique de recul (masse, vitesse, inertie, collisions élastiques et élastiques) dominent et l'influence de la gravité est un facteur négligeable, le comportement des objets reste constant même lorsque la gravité est relativement faible. Par exemple, des boules de billard sur une table de billard se disperseraient et reculeraient avec les mêmes vitesses et énergies après une pause sur la Lune que sur Terre; ils tomberaient cependant dans les poches beaucoup plus lentement.

Dans les sciences physiques, les termes "masse" et "poids" sont définis de manière rigide en tant que mesures distinctes, car ce sont des propriétés physiques différentes. Dans l'usage quotidien, comme tous les objets du quotidien ont à la fois une masse et un poids et que l'un est presque exactement proportionnel à l'autre, le "poids" sert souvent à décrire les deux propriétés, sa signification dépendant du contexte. Par exemple, dans le commerce de détail, le "poids net" des produits fait en réalité référence à la masse et est exprimé en unités de masse telles que les grammes ou les onces (voir aussi Pound: Utilisation dans le commerce). À l'inverse, la cote de l'indice de charge des pneus d'automobile, qui précise la charge structurelle maximale en kilogrammes d'un pneu, se rapporte au poids; c'est-à-dire la force due à la gravité. Avant la fin du 20ème siècle, la distinction entre les deux n'était pas strictement appliquée dans la rédaction technique, de sorte que des expressions telles que "poids moléculaire" (pour la masse moléculaire) sont encore visibles.

Comme la masse et le poids sont des quantités distinctes, ils ont des unités de mesure différentes. Dans le Système international d'unités (SI), le kilogramme est l'unité de masse de base et le newton l'unité de base de la force. Le kilogramme-force non SI est aussi une unité de force généralement utilisée dans la mesure du poids. De même, la livre avoirdupois, utilisée à la fois dans le système impérial et dans les unités usuelles américaines, est une unité de masse et son unité de force associée est la force de frappe.

Conversion d'unités de masse en forces équivalentes sur Terre

Les anomalies gravimétriques couvrant l'océan Austral sont présentées ici en relief en fausses couleurs. Cette image a été normalisée pour éliminer les variations dues aux différences de latitude.

Lorsque le poids d'un objet (sa force gravitationnelle) est exprimé en "kilogrammes", cela fait en réalité référence au kilogramme-force (kgf ou kg-f), également connu sous le nom de kilopond (kp), qui est une unité de force non SI. Tous les objets sur la surface de la Terre sont soumis à une accélération gravitationnelle d’environ 9,8 m / s2. La Conférence générale des poids et mesures a fixé la valeur de la gravité standard à exactement 9,80665 m / s2 de sorte que des disciplines telles que la métrologie aient une valeur standard pour convertir les unités de masse définie en forces et pressions définies. Ainsi, le kilogramme-force est défini comme étant précisément 9,80665 newtons. En réalité, l’accélération gravitationnelle (symbole: g) varie légèrement en fonction de la latitude, de l'altitude et de la densité de subsurface; ces variations ne sont généralement que de quelques dixièmes de pourcent. Voir également Gravimétrie.

Les ingénieurs et les scientifiques comprennent les distinctions entre masse, force et poids. Les ingénieurs dans des disciplines impliquant la charge pondérale (force sur une structure due à la gravité), comme l'ingénierie structurelle, convertissent la masse d'objets comme le béton et les automobiles (exprimée en kilogrammes) en une force exprimée en newtons (en multipliant par 9,8; 2 des chiffres significatifs suffisent généralement pour de tels calculs) pour calculer la charge de l'objet. Les propriétés des matériaux comme le module d'élasticité sont mesurées et publiées en termes de newton et pascal (une unité de pression liée au newton).

Flottabilité et poids

Quel que soit le fluide dans lequel un objet est immergé (gaz ou liquide), la force de flottabilité sur un objet est égale au poids du fluide qu’il déplace.
Une montgolfière quand elle a une flottabilité neutre n'a pas de poids à supporter pour les hommes mais conserve encore une grande inertie due à sa masse.

Habituellement, la relation entre la masse et le poids sur Terre est hautement proportionnelle; des objets cent fois plus massifs qu'une bouteille de soda d'un litre pèsent presque toujours cent fois plus, soit environ 1 000 newtons, soit le poids auquel on pourrait s'attendre sur Terre avec un objet dont la masse est légèrement supérieure à 100 kilogrammes. Cependant, ce n'est pas toujours le cas et certains objets familiers violent cette proportionnalité masse / poids.

Un ballon jouet rempli d'hélium commun est quelque chose de familier à beaucoup. Lorsqu'un tel ballon est complètement rempli d'hélium, il a une flottabilité, une force qui s'oppose à la gravité. Lorsqu'un ballon-jouet devient partiellement dégonflé, il devient souvent flottant de manière neutre et peut flotter autour de la maison à un mètre ou deux du sol. Dans un tel état, il y a des moments où le ballon n'est ni en train de monter ni de tomber et dans le sens où une échelle placée sous lui n'aura aucune force qui lui soit appliquée. simplement redistribué le long de la surface de la Terre pour qu'il ne puisse pas être mesuré). Bien que le caoutchouc constituant le ballon ait une masse de quelques grammes seulement, ce qui peut être presque imperceptible, le caoutchouc conserve toute sa masse lorsqu'il est gonflé.

Encore une fois, contrairement à l'effet que les environnements de faible gravité ont sur le poids, la flottabilité ne fait pas disparaître une partie du poids d'un objet; le poids manquant est plutôt supporté par le sol, ce qui laisse moins de force (poids) sur toute échelle placée théoriquement sous l'objet en question (bien que les aspects pratiques de peser avec précision quelque chose individuellement dans cet état puissent poser problème) ). Si l'on devait cependant peser une petite pataugeoire dans laquelle quelqu'un entrait et commençait à flotter, ils découvriraient que le poids total de la personne était supporté par la piscine et, finalement, par la balance sous la piscine. Alors qu'un objet flottant (à une échelle de travail adéquate pour peser des objets flottants) pèserait moins, le objet/système de fluide devient plus lourd par la valeur de la masse totale de l'objet une fois l'objet ajouté. Puisque l'air est un fluide, ce principe s'applique à l'objet /air systèmes aussi bien; De gros volumes d'air - et finalement le sol - supportent le poids qu'un corps perd par flottabilité en plein air.

Les effets de la flottabilité n'affectent pas seulement les ballons; les liquides et les gaz sont des fluides dans les sciences physiques, et lorsque tous les objets de taille plus grande que les particules de poussière sont immergés dans des fluides sur Terre, ils ont un certain degré de flottabilité.[5] Dans le cas d'un nageur flottant dans une piscine ou d'un ballon flottant dans l'air, la flottabilité peut totalement compenser le poids gravitationnel de l'objet pesé, pour un appareil de pesage dans la piscine. Cependant, comme on l'a noté, un objet supporté par un fluide n'est fondamentalement pas différent d'un objet supporté par un harnais ou un câble. Le poids a simplement été transféré à un autre endroit, et n'a pas disparu.

La masse des ballons «sans poids» (flottabilité neutre) peut être mieux appréciée avec des ballons à air chaud beaucoup plus gros.Bien qu'il ne soit pas nécessaire de contrer leur poids lorsqu'ils planent au-dessus du sol (quand ils pèsent souvent moins de cent newtons de poids zéro), l'inertie associée à leur masse appréciable de plusieurs centaines de kilos ou plus peut faire fuir les hommes. leurs pieds lorsque le panier du ballon se déplace horizontalement sur le sol.

La flottabilité et la réduction résultante de la force descendante des objets pesés sont à la base du principe d'Archimède, qui stipule que la force de flottabilité est égale au poids du fluide que l'objet déplace. Si ce fluide est de l'air, la force peut être faible.

Effets de flottabilité de l'air sur la mesure

Normalement, l'effet de la poussée de l'air sur les objets de densité normale est trop faible pour avoir une incidence sur les activités quotidiennes. Par exemple, l'effet décroissant de la flottabilité sur le poids corporel (un objet de densité relativement faible) est1860 celui de la gravité (pour de l'eau pure il s'agit de1770 celle de la gravité). En outre, variations en pression barométrique affectera rarement le poids de plus de ± 1 partie sur 30 000.[6] Cependant, en métrologie (la science de la mesure), les étalons de masse de précision pour l'étalonnage des balances et des balances de laboratoire sont fabriqués avec une précision telle que la densité de l'air est prise en compte pour compenser les effets de flottabilité. Compte tenu du coût extrêmement élevé des normes de masse platine-iridium comme le kilogramme international prototype (la le standard de masse en France qui définit la magnitude du kilogramme), des normes "de travail" de haute qualité sont constituées d'alliages d'acier inoxydable spéciaux[7] avec des densités d'environ 8 000 kg / m3, qui occupent un volume supérieur à celui du platine-iridium, qui ont une densité d'environ 21 550 kg / m3. Pour des raisons de commodité, une valeur standard de flottabilité par rapport à l'acier inoxydable a été développée pour les travaux de métrologie et cela se traduit par l'expression "masse conventionnelle".[8] La masse conventionnelle est définie comme suit: "Pour une masse à 20 ° C, la" masse conventionnelle "est la masse d'un étalon de référence de densité 8 000 kg / m3 qu'il équilibre dans l'air avec une densité de 1,2 kg / m3. "L’effet est minime, 150 ppm pour les étalons de masse en acier inoxydable, mais les corrections appropriées sont apportées lors de la fabrication de tous les étalons de masse de précision afin qu’ils aient la véritable masse étiquetée.

Lorsqu'une balance de haute précision (ou une balance) utilisée en laboratoire est étalonnée en utilisant des standards en acier inoxydable, la balance est en fait étalonnée à la masse conventionnelle; c'est-à-dire la masse réelle moins 150 ppm de flottabilité. Puisque les objets ayant exactement la même masse mais avec des densités différentes déplacent des volumes différents et ont donc des flottabilités et des poids différents, tout objet mesuré sur cette échelle (par rapport à une norme de masse en acier inoxydable) a ses masse conventionnelle mesurée; c'est-à-dire sa vraie masse moins une inconnu degré de flottabilité. Dans les travaux de haute précision, le volume de l'article peut être mesuré pour annuler mathématiquement l'effet de la flottabilité.

Types d'échelles et ce qu'ils mesurent

Une balance de pesée: non affectée par la force de gravité.
Pèse-personne basé sur la cellule de charge: affecté par la force de gravité.

Lorsque l'on se situe sur une balance à poutres dans un cabinet médical, leur masse est mesurée directement. En effet, les balances (comparateurs de masse "à deux casseroles") comparent la force gravitationnelle exercée sur la personne sur la plate-forme avec celle des contrepoids coulissants sur les poutres; la gravité est le mécanisme générateur de force qui permet à l’aiguille de diverger du point "équilibré" (nul). Ces équilibres pourraient être déplacés de l'équateur de la Terre vers les pôles et donner exactement la même mesure, c'est-à-dire qu'ils n'indiqueraient pas faussement que le patient du médecin est devenu 0,3% plus lourd; ils sont insensibles à la force centrifuge de la gravité due à la rotation de la Terre autour de son axe. Mais si vous montez sur des balances basées sur des capteurs à ressort ou numériques (dispositifs à un seul plateau), votre poids (force gravitationnelle) est mesuré; et les variations de la force du champ gravitationnel affectent la lecture. En pratique, lorsque ces balances sont utilisées dans le commerce ou les hôpitaux, elles sont souvent calibrées sur site et certifiées sur cette base, de sorte que la masse qu'elles mesurent, exprimée en livres ou en kilogrammes, est au niveau de précision souhaité.[9]

Utiliser dans le commerce

Aux États-Unis d’Amérique, le Département du commerce des États-Unis, l’Administration des technologies et l’Institut national de normalisation et de technologie ont défini l’utilisation de la masse et du poids dans les échanges de biens de la métrologie légale et de la qualité du carburant dans le manuel du NIST 130.

Le NIST Handbook 130 déclare:

V. "Masse" et "Poids". [NOTE 1, Voir page 6]
La masse d'un objet est une mesure de la propriété inertielle de l'objet ou de la quantité de matière qu'il contient. Le poids d'un objet est une mesure de la force exercée sur l'objet par gravité ou de la force nécessaire pour le supporter. L'attraction de la gravité sur la terre donne à un objet une accélération vers le bas d'environ 9,8 m / s2. Dans le commerce et l'utilisation quotidienne, le terme "poids" est souvent utilisé comme synonyme de "masse". La "masse nette" ou le "poids net" déclaré sur une étiquette indique que l'emballage contient une quantité spécifique de produit, à l'exclusion des matériaux d'emballage.L'utilisation du terme "masse" est prédominante dans le monde entier et devient de plus en plus courante aux États-Unis. (Ajouté en 1993)
W. Utilisation des termes "masse" et "poids". [NOTE 1, Voir page 6]
Lorsqu'il est utilisé dans ce manuel, le terme "poids" signifie "masse". Le terme "poids" apparaît lorsque des unités pouces-livres sont citées, ou lorsque les unités pouce-livre et SI sont incluses dans une exigence. Les termes "masse" ou "masses" sont utilisés lorsque seules les unités SI sont citées dans une exigence. La note suivante apparaît où le terme "poids" est utilisé pour la première fois dans une loi ou un règlement.
NOTE 1: Lorsqu'il est utilisé dans cette loi (ou réglementation), le terme "poids" signifie "masse". (Voir les paragraphes V. et W. dans la section I., Introduction, du Manuel NIST 130 pour une explication de ces termes.) (Ajouté en 1993) 6 "

La loi fédérale américaine, qui remplace ce manuel, définit également le poids, en particulier le poids net, en termes de livre ou de livre de masse avoirdupois. De 21CFR101 Partie 101.105 - Déclaration de la quantité nette de contenu exemptée:

a) L'afficheur principal d'un aliment sous forme d'emballage doit comporter une déclaration de la quantité nette de contenu. Cela doit être exprimé en termes de poids, de mesure, de nombre numérique ou une combinaison de chiffres et de poids ou de mesures. La déclaration doit être en termes de mesure de fluide si l'aliment est liquide ou en termes de poids si l'aliment est solide, semi-solide ou visqueux ou un mélange de solide et de liquide; sauf que cette déclaration peut être en termes de mesure à sec si l'aliment est un fruit frais, un légume frais ou un autre produit sec qui est habituellement vendu par mesure sèche. Si l'on se base sur une utilisation du consommateur et une coutume commerciale bien établies de déclarer le contenu d'un liquide en poids, ou d'un produit solide, semi-solide ou visqueux par mesure de fluide, il peut être utilisé. Chaque fois que le commissaire détermine qu'une pratique existante consistant à déclarer la quantité nette de contenu en poids, mesure, nombre numérique ou une combinaison dans le cas d'un aliment emballé spécifique ne facilite pas la comparaison des valeurs par les consommateurs et règlement désignent le ou les termes appropriés à utiliser pour un tel produit.
(b) (1) Les relevés de poids doivent être exprimés en livre et once avoirdupois.

Voir également 21CFR201 Partie 201.51 - "Déclaration de quantité nette de contenu" pour les exigences générales en matière d'étiquetage et d'étiquetage.

Voir également

  • Poids apparent
  • Gravimètre
  • Livre (force)

Remarques

  1. ^ de Silva, G.M.S. (2002), Métrologie de base pour la certification ISO 9000, Butterworth-Heinemann
  2. ^ Laboratoire national de physique: Quelles sont les différences entre la masse, le poids, la force et la charge? (FAQ - Masse et densité)
  3. ^ Voir Masse en relativité restreinte pour une discussion de la masse dans ce contexte. Un objet ou une particule ne doit pas nécessairement se déplacer très près de la vitesse de la lumière, c, pour sa masse relativiste, M (ou γm) varier de façon mesurable par rapport à sa masse de repos m0. D'après les transformations de Lorentz et le papier d'Einstein de 1905, La théorie de la relativité spéciale, la masse relativiste est supérieure de 0,5% à m0 à seulement 9.96%c, affectant ainsi les mesures effectuées avec une précision de 1%. Alors que 10% de la vitesse de la lumière est extrêmement rapide dans la plupart des contextes, il n'est pas "proche de la vitesse de la lumière".
  4. ^ En métrologie professionnelle (la science de la mesure), l’accélération de la gravité terrestre est considérée comme une gravité standard (symbole: gn), qui est défini avec précision 9.80665 mètres par seconde carrée (m / s2). L'expression "1 m / s2 " signifie que pour chaque seconde qui s'écoule, la vitesse change de 1 mètre supplémentaire par seconde. Une accélération de 1 Mme2 est le même taux de variation de la vitesse que 3,6 km / h par seconde (.22,2 mph par seconde).
  5. ^ Les objets de la taille de petites particules de poussière, ou plus petits, sont tellement influencés par le mouvement brownien qu'ils ne sont plus influencés par la flottabilité.
  6. ^ Hypothèses: Une densité d'air de 1160 g / m3, densité moyenne d'un corps humain (poumons effondrés) égale à celle de l'eau et variations de la pression barométrique dépassant rarement ± 22 torrs (2,9 kPa). Hypothèses variables principales: altitude de 194 mètres au-dessus du niveau moyen de la mer (altitude médiane mondiale de l’habitation humaine), température intérieure de 23 ° C, point de rosée de 9 ° C et barométrie corrigée du niveau de la mer de 760 mmHg (101 kPa) pression.
  7. ^ Par exemple, pour le recalibrage du prototype national américain Kilogram en 1985, deux artefacts en acier inoxydable austénitique ont été utilisés à des fins de comparaison. L'un, nommé D2, est similaire à l'inox 18-8 (type 304) (c.-à-d. 18% de chrome, 8% de nickel); l'autre, appelé CH-1, est un alliage plus complexe qui pourrait être grossièrement désigné par CrNiMo30-25-2 (composition chimique: 29,9% Cr, 25,1% Ni, 2,2% Mo, 1,45% Mn, 0,53 Si, 0,2% Cu). , 0,07% C, 0,0019% P).Davis, R. N. (1985). "Réétalonnage du kilogramme du prototype national américain" (PDF). Journal of Research du National Bureau of Standards. Washington: Imprimerie du gouvernement américain. 90 (4): 267. doi: 10.6028 / jres.090.015. Archivé de l'original (PDF) le 3 juin 2011. Récupéré 2 mai 2011.
  8. ^ Recommandation internationale OIML R33Organisation internationale de métrologie légale.
  9. ^ Conférence générale nationale sur les poids et mesures, Spécifications, tolérances et autres exigences techniques pour les appareils de pesage et de mesure, Manuel NIST 44
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