Teža (sila gravitacije): definicija, merjenje in razlika od mase
Razumite pojma teže in mase: definicija teže kot gravitacijske sile, načini merjenja, primeri in ključne razlike med težo in maso.
Teža predmeta (ali teža količine snovi) je v fiziki merilo za velikost sile, ki jo na predmet deluje lokalno gravitacijsko polje. Teža je torej sila in se na navadni razredni ali laboratorijski ravni izračuna kot produkt mase in lokalnega pospeška zaradi gravitacije: F = m · g, kjer je F teža (v N), m masa (v kg) in g pospešek zaradi gravitacije (v m/s²). Smer te sile je proti masnemu središču gravitacijskega vira — za majhne predmete na Zemlji približno proti središču planeta, pri večjih telesih pa proti masnemu središču kombiniranega sistema (npr. pri sistemu Zemlja–Luna, ki kroži okoli Zemlje).
Enote in praktični primeri
Ker je teža sila, je njena SI-enota newton (N). V vsakdanjem govoru pa se pogosto uporablja kilogram ali funta — enoti, ki sta dejansko enoti za maso (kilogrami, funti). Za približno računanje se pogosto uporablja standardno gravitacijsko pospeševanje g0 = 9,80665 m/s². Tako ima telo z maso 10 kg na površini Zemlje težo približno 98,1 N (10 · 9,80665). Na Luni je g približno 1,62 m/s², zato bi ista masa imela težo približno 16,2 N.
Merjenje teže in zmeda z maso
Pogosto so naprave, ki jih imenujemo tehtnice, zmotno razumljene. Obstajata dve glavni vrsti:
- Vzmetne tehtnice in merilniki sile (load cell) neposredno merijo silo — torej težo — in jo običajno prikažejo v newtonih ali prevedejo v ekvivalentno maso z uporabo predpostavke o vrednosti g na mestu merjenja.
- Uravnoteževalne tehtnice (primerjalne ali vzajemne) primerjajo neznano maso z znano maso; delujejo neodvisno od lokalne vrednosti g in zato dejansko merijo maso bolj neposredno kot vzmetne tehtnice.
V vsakdanjem življenju tehtnice navadno prikažejo "kilograme", torej ne merijo teže kot sile, temveč uporabljajo kalibracijo, ki predpostavlja standardno gravitacijo. To je razlog, da se besedi masa in teža pogosto napačno uporabljata zamenljivo — v fizikalnem pomenu pa nista enaki stvari.
Opažena (apparent) teža in breztežnost
Pomembno je ločiti med resnično gravitacijsko silo in občutkom teže, ki ga merimo na tehtnici. Če je predmet v prostem padu (npr. v kabini, ki prosto pada) je gravitacijska sila še vedno prisotna, vendar tehtnica ne pritiska na predmet — branje je ničelno. To stanje imenujemo breztežnost (apparent weight = 0), čeprav gravitacije ni izničene. Nasprotno, če je predmet v pospeševanju navzgor (npr. dvigalo), bo tehtnica kazala večjo silo, torej večjo "težo". Tudi vzgonska sila tekočine (Archimedov vzgon) vpliva na merjeno težo: predmet v zraku ali vodi kaže manjšo težo za silo vzgona.
Pomembne razlage in opombe
- Teža je vektor (ima velikost in smer) — običajno jo označujemo kot usmerjeno proti izvoru gravitacije.
- Masa je mera količine snovi in je skalarnost; ohranjanje mase neodvisno od lokacije, medtem ko teža ni stalna in se spreminja z vrednostjo g.
- Za vsakdanje praktične izračune pogosto uporabimo pretvorbe (kgf — kilogram-sila), kjer 1 kgf ≈ 9,80665 N; to pa ni enaka stvar kot kilogram kot enota mase.
- V astronomiji in pri velikih razdaljah je pomembno upoštevati, da se smer gravitacijske sile praviloma nanaša na skupno masno porazdelitev, zato pri velikih telesih govorimo o privlačnosti proti masnemu središču sistema.
V splošnem jeziku se torej teža pogosto razume kot vrednost, izmerjena na zemeljski površini ali v njeni bližini, kar vodi v napačno rabo enot za maso (kilogrami ali funti) za merjenje teže. Za jasno razumevanje fizikalnih pojmov je pomembno ločiti med maso in težo: masa je lastnost telesa, teža pa je sila, ki na to telo deluje zaradi gravitacije.
Enote teže
Enota teže v mednarodnem sistemu enot je newton, ki ga označuje simbol "N".
V preteklosti so se uporabljale tudi druge enote, vendar so bile opuščene, na primer dina (enota za silo v starem sistemu CGS) ali kilogramska sila, ki je sila, s katero na kilogram snovi deluje "standardna" Zemlja: telo z maso 1 kg ima na ravni morja maso približno 9,81 N.
Merjenje teže
Teža predmeta ali količine snovi se običajno meri z instrumentom, kot je vzmetna tehtnica. Tehtnica ima vzmet, ki deluje proti gravitacijski sili na tehtani predmet. Gravitacijska sila vleče navzdol, vzmet pa potiska ali vleče navzgor. Običajno ima tehtnica odčitek, ki ne kaže teže (ki je sila), temveč maso predmeta. Vzmetne tehtnice so narejene ob predpostavki, da se uporabljajo na površju Zemlje. Če bi vzmetno tehtnico prenesli na Luno, bi dala zavajajoč podatek.
Tehtnica je naprava, ki primerja težo dveh predmetov v istem gravitacijskem polju: določi, ali je en predmet težji ali lažji od drugega.
Teža je spremenljiva
Teža ni notranja lastnost snovi, ker je lokalno gravitacijsko polje, ki ustvarja silo, imenovano teža, spremenljivo v prostoru in času:
- Ker Zemljina privlačnost pada s kvadratom razdalje do njenega središča, je teža predmeta na veliki višini (npr. na vrhu gore) nekoliko manjša kot na morski gladini ali na ekvatorju kot na polih (ker je Zemlja nekoliko izbočena).
- Poljubni predmet na Zemlji privlačijo tudi vsa druga nebesna telesa, kot je na primer Luna. Zato bo njegova teža manjša, če bo Luna nad glavo, kot če bo Luna na drugi strani Zemlje.
- Teža ni določena izključno za Zemljo: astronavt na površini Lune tehta šestkrat manj kot na površini Zemlje.
- Breztežnost je navidezno stanje, ki ga doživljajo astronavti ali sateliti v orbiti okoli planeta. V resnici je njihova teža (gravitacijski privlak) sila, ki jih drži v orbiti. Objekti v orbiti potujejo z zelo veliko hitrostjo. Za satelite, ki krožijo 300 do 500 kilometrov nad Zemljo, je ta hitrost približno 27 000 km/h. Brez gravitacijske sile Zemlje bi odleteli v ravni črti. Zaradi gravitacijskega privlaka padajo proti planetu. Kombinacija velike bočne hitrosti in stalnega vleka proti središču Zemlje ukrivlja njihovo pot, zato ostanejo v orbiti.
Sorodne strani
- Razlika med težo in maso
- Masno središče
- Gravitacija
- Gostota
Vprašanja in odgovori
V: Kakšna je teža predmeta?
O: Teža predmeta je mera za jakost sile, ki jo na ta predmet deluje lokalno gravitacijsko polje.
V: Kako se teža razlikuje od mase?
O: Teža se ne sme zamenjevati z maso, saj je teža merilo gravitacijske sile na predmet, medtem ko je masa količina snovi v predmetu.
V: Kam je usmerjena sila teže majhnih predmetov na Zemlji?
O: Pri majhnih predmetih na Zemlji je sila teže usmerjena proti središču planeta.
V: Kam je usmerjena sila teže pri večjih predmetih, kot je Luna, ki kroži okoli Zemlje?
O: Za večja telesa, kot je Luna, ki kroži okoli Zemlje, je sila teže usmerjena v masno središče kombiniranega sistema.
V: Zaradi česa je prišlo do zamenjave med maso in težo?
O: Uporaba istih izrazov za opis in merjenje dveh različnih lastnosti je pripeljala do zmede med maso in težo.
V: Ali sta masa in teža isto?
O: Masa in teža nista isto.
V: Ali imajo predmeti z enako maso enako težo?
O: Predmeti z enako maso imajo enako maso. Predmet, ki ima dvakrat večjo maso od drugega, ima tudi dvakrat večjo maso.
Iskati