جرم: مقدار ماده در جسم
جرم چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
در ساده‌ترین تعریف، جرم1 کمیتی است که مقدار ماده‌ی موجود در یک جسم را نشان می‌دهد. هرچه جسمی ماده‌ی بیشتری در خود داشته باشد، جرم آن بیشتر است. به عنوان مثال، یک توپ بولینگ در مقایسه با یک توپ پینگ‌پونگ، جرم بسیار بیشتری دارد زیرا از ماده‌ی بیشتری (اتم‌ها و مولکول‌های بیشتر) تشکیل شده است. یک ویژگی مهم جرم این است که مستقل از موقعیت جسم است. یعنی جرم یک جسم چه روی زمین، چه در ماه و چه در اعماق فضا ثابت می‌ماند.
برای اندازه‌گیری جرم از ترازو استفاده می‌کنیم. واحد اصلی جرم در سیستم متریک، کیلوگرم3 (kg) است. واحدهای کوچک‌تر و بزرگ‌تری نیز وجود دارند:
| واحد | نماد | برحسب کیلوگرم | مثال |
|---|---|---|---|
| گرم | g | 0.001 kg | یک سکه کوچک |
| کیلوگرم | kg | 1 kg | یک بسته شکر |
| تن | t | 1000 kg | یک خودروی کوچک |
تفاوت بنیادی جرم و وزن
بسیاری از افراد جرم و وزن را یکسان می‌دانند، اما این دو مفهوم کاملاً متفاوت هستند. همانطور که گفتیم، جرم مقدار ماده است و ثابت است. اما وزن4 در واقع یک نیرو5 است؛ نیروی جاذبه‌ای که یک سیاره (مانند زمین) به جسم وارد می‌کند. وزن با فرمول زیر محاسبه می‌شود:
که در آن:
$W$ وزن، $m$ جرم و $g$ شتاب جاذبه در آن محل است.
شتاب جاذبه روی زمین تقریباً ثابت است ($9.8 m/s^2$)، اما روی ماه این شتاب حدود یک‌ششم زمین است. بنابراین، اگر جرم شما 60 kg باشد، وزن شما روی زمین حدود 588 N (نیوتن6) است، اما روی ماه وزن شما فقط حدود 98 N خواهد بود! با این حال، جرم شما در هر دو مکان یکسان و 60 kg باقی می‌ماند.
جرم و اینرسی: مقاومت در برابر تغییر
یک ویژگی مهم دیگر جرم، اینرسی7 است. اینرسی تمایل یک جسم برای مقاومت در برابر هرگونه تغییر در حالت حرکتش است. این مفهوم، قانون اول حرکت نیوتن8 را تشکیل می‌دهد: "یک جسم در حال سکون تمایل دارد در حال سکون بماند و یک جسم در حال حرکت تمایل دارد با سرعت ثابت در یک خط راست به حرکت خود ادامه دهد، مگر اینکه یک نیروی خارجی به آن وارد شود."
هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد، اینرسی آن بیشتر است. برای درک این موضوع، تصور کنید که می‌خواهید یک توپ پینگ‌پونگ را که روی میز قرار دارد، با انگشت خود به حرکت درآورید. این کار بسیار آسان است. حالا تصور کنید بخواهید یک ماشین سنگین را که توقف کرده است، هل دهید. این کار بسیار سخت است. دلیل این تفاوت، جرم بسیار بیشتر ماشین و در نتیجه اینرسی بسیار بزرگ‌تر آن است.
کاربرد جرم در زندگی و علم
مفهوم جرم فقط به کتاب‌های درسی محدود نمی‌شود و در بسیاری از جنبه‌های زندگی و فناوری کاربرد دارد. وقتی شما در سوپرمارکت یک میوه را روی ترازو می‌گذارید، در واقع جرم آن را اندازه‌گیری می‌کنید تا بر اساس آن پول پرداخت کنید. در صنعت داروسازی، برای ساخت داروها باید مقادیر بسیار دقیقی از مواد اولیه با جرم‌های مشخص با هم ترکیب شوند. در ورزش، جرم اجسام نقش مهمی دارد؛ مثلاً پرتاب یک توپ پزشکی سنگین (با جرم زیاد) بسیار سخت‌تر از پرتاب یک توپ بسکتبال است.
یک مثال علمی کلاسیک، قانون پایستگی جرم9 است. این قانون بیان می‌کند که در یک سیستم بسته، جرم کل ثابت می‌ماند. به عبارت دیگر، جرم نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. اگر یک شمع را روشن کنید، به نظر میرسد جرم آن کم می‌شود. اما در واقع، مواد تشکیل‌دهنده شمع با اکسیژن هوا ترکیب شده و به گازهای دیگری مانند دی‌اکسید کربن و بخار آب تبدیل می‌شوند. اگر بتوانیم تمام این گازها را جمع‌آوری و وزن کنیم، متوجه می‌شویم که جرم کل سیستم ثابت مانده است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. تنها شکل فیزیکی کاغذ تغییر کرده است، اما مقدار ماده تشکیل‌دهنده آن (تعداد اتم‌ها و مولکول‌ها) ثابت مانده است. بنابراین جرم آن تغییری نمی‌کند.
پاسخ: از آنجایی که شتاب جاذبه در سطح زمین تقریباً ثابت است، جرم و وزن با هم متناسب هستند. در نتیجه، ترازوهایی که ما استفاده می‌کنیم، با اندازه‌گیری وزن (نیرو)، جرم را بر حسب کیلوگرم به ما نشان می‌دهند. این عادت زبانی به همین دلیل رایج شده است، اگرچه از نظر علمی صحیح نیست که بگوییم "وزن من 60 کیلوگرم است". عبارت صحیح فیزیکی این است: "جرم من 60 کیلوگرم است".
پاسخ: در سرعت‌های معمولی و شرایط عادی، بله. اما طبق نظریه نسبیت خاص10 انیشتین، هنگامی که جسمی با سرعت‌های بسیار نزدیک به سرعت نور حرکت کند، جرم آن افزایش می‌یابد. این اثر برای ما در زندگی روزمره قابل مشاهده نیست و فقط در سرعت‌های فوق‌العاده بالا خود را نشان می‌دهد.
پاورقی
1 جرم (Mass)
2 کمیت نرده‌ای (Scalar Quantity)
3 کیلوگرم (Kilogram)
4 وزن (Weight)
5 نیرو (Force)
6 نیوتن (Newton) - واحد اندازه‌گیری نیرو
7 اینرسی (Inertia)
8 قانون اول حرکت نیوتن (Newton's First Law of Motion)
9 قانون پایستگی جرم (Law of Conservation of Mass)
10 نظریه نسبیت خاص (Theory of Special Relativity)
