وزن: نیروی ناپیدای جاذبه
وزن چیست و چه تفاوتی با جرم دارد؟
وقتی روی ترازو میایستید، عددی نشان میدهد. این عدد وزن1 شما را نشان میدهد. وزن در حقیقت یک نیرو است؛ نیرویی که در اثر کشش گرانش2 زمین بر جسم شما وارد میشود. واحد اندازهگیری وزن در سیستم بینالمللی نیوتن است. اما اغلب در زندگی روزمره، آن را با واحد کیلوگرم بیان میکنیم که در واقع واحد جرم3 است.
این دو مفهوم اغلب با هم اشتباه گرفته میشوند، اما تفاوت بنیادی دارند. جرم، مقدار ماده تشکیلدهنده یک جسم است و در هر کجای جهان ثابت میماند. اما وزن، نیرویی است که به جرم و شتاب گرانش4 آن محل بستگی دارد.
| ویژگی | جرم | وزن |
|---|---|---|
| تعریف | مقدار ماده یک جسم | نیروی گرانش وارد بر جسم |
| واحد اصلی (SI) | کیلوگرم (kg) | نیوتن (N) |
| ابزار اندازهگیری | ترازوی دوکفهای | ترازوی فنری (مثل ترازوی حمام) |
| وابستگی به مکان | ثابت است (تغییر نمیکند) | تغییر میکند (مثلاً در ماه کمتر است) |
| مثال | یک کتاب 1 kg جرم دارد. | همان کتاب روی زمین حدود 9.8 N وزن دارد. |
محاسبه وزن: فرمول جهانی گرانش
برای محاسبه وزن از یک فرمول ساده استفاده میشود. این فرمول بیان میکند: وزن = جرم × شتاب گرانش.
که در آن:
$ W $ : وزن بر حسب نیوتن (N)
$ m $ : جرم بر حسب کیلوگرم (kg)
$ g $ : شتاب گرانش زمین، تقریباً برابر با $ 9.8 \ m/s^2 $
مثال: جرم یک دانشآموز را 50 kg در نظر بگیرید. وزن این دانشآموز روی سطح زمین چقدر است؟
با استفاده از فرمول: $ W = 50 \times 9.8 = 490 \ N $ میشود. پس نیرویی معادل 490 نیوتن از سوی زمین به این دانشآموز وارد میشود.
تغییر وزن در سیارات مختلف و ایستگاه فضایی
شتاب گرانش (g) در همه جای کیهان یکسان نیست. این مقدار به جرم و شعاع سیاره یا جرم آسمانی بستگی دارد. هرچه سیارهای پرجرمتر باشد، گرانش قویتری دارد و وزن یک جسم خاص روی آن بیشتر میشود.
برای مثال، گرانش ماه حدود یکششم گرانش زمین است. بنابراین، اگر فضانوردی با تجهیزاتش روی زمین 1200 N وزن داشته باشد، روی ماه فقط $ 1200 \div 6 = 200 \ N $ وزن خواهد داشت. به همین دلیل است که فیلمهای قدم زدن روی ماه، حرکات جهشی و سبکی را نشان میدهند.
| جرم آسمانی | شتاب گرانش تقریبی ($ m/s^2 $) | وزن یک جسم 60 kg | توضیح |
|---|---|---|---|
| عطارد | 3.7 | 222 N | کوچک و کمجرم است. |
| زمین | 9.8 | 588 N | مبنای مقایسه. |
| مریخ | 3.7 | 222 N | تقریباً مانند عطارد. |
| مشتری | 24.8 | 1488 N | سیارهای غولپیکر و پرجرم. |
| ایستگاه فضایی بینالمللی5 | ~0 (بیوزنی) | ~0 N | در حال سقوط آزاد به دور زمین هستند. |
کاربردهای عملی مفهوم وزن در زندگی روزمره
مفهوم وزن فقط در کتابهای درسی نیست. ما هر روز از این مفهوم استفاده میکنیم. وقتی میوهفروش با ترازو، وزن سیبها را اندازه میگیرد، در حال اندازهگیری نیروی گرانش وارد بر آنهاست تا بهای آن را تعیین کند. طراحان پل و ساختمانها باید وزن مصالح و بارهای احتمالی (مانند خودروها روی پل) را دقیقاً محاسبه کنند تا سازهای ایمن بسازند.
حتی بدن ما نیز به وزن حساس است. استخوانها و عضلات ما تحت تاثیر نیروی وزن رشد و قوام خود را حفظ میکنند. به همین دلیل است که فضانوردان در مأموریتهای طولانی مدت، به دلیل زندگی در شرایط بیوزنی6، دچار تحلیل عضلانی و کاهش تراکم استخوان میشوند و باید روزانه ورزشهای ویژهای انجام دهند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، ولی تغییر آن بسیار ناچیز است. از آنجایی که با بالا رفتن از کوه، فاصله شما از مرکز زمین کمی افزایش مییابد، نیروی گرانش و در نتیجه وزن شما اندکی کاهش پیدا میکند. همچنین، چون زمین کاملاً کروی نیست و در استوا برآمدگی دارد، وزن یک جسم در استوا حدود 0.5% کمتر از وزن همان جسم در قطبهاست.
پاسخ: ترازوی حمام (ترازوی فنری) نه فقط وزن، بلکه هر نیروی عمودی دیگری را هم نشان میدهد. وقتی آسانسور با شتاب بالا میرود، کف آسانسور باید علاوه بر غلبه بر وزن شما، به شما شتاب هم بدهد. بنابراین نیروی بیشتری به پای شما وارد میکند و ترازو عددی بزرگتر از وزن واقعی شما را نشان میدهد. این حالت وزن ظاهری7 افزایش یافته است.
پاسخ: وزن شما مستقیماً به نیروی گرانش زمین وابسته است. اگر زمین ناپدید شود، نیروی گرانش آن نیز از بین میرود. در نتیجه وزن شما در آن لحظه صفر میشود (بیوزنی). البته جرم شما تغییری نمیکند و مقدار ماده تشکیلدهنده بدنتان ثابت میماند.
پاورقی
1 وزن (Weight): نیروی جاذبهای که یک جرم آسمانی بر جسم وارد میکند.
2 گرانش (Gravity): نیروی جاذبهای بنیادی بین تمام اجسام دارای جرم.
3 جرم (Mass): مقدار ماده تشکیلدهنده یک جسم، که معیار مقاومت آن در برابر شتاب است.
4 شتاب گرانش (Gravitational Acceleration): شتابی که یک جسم در اثر نیروی گرانش به دست میآورد. روی زمین مقدار متوسط آن $ 9.8 \ m/s^2 $ است.
5 ایستگاه فضایی بینالمللی (International Space Station - ISS): ایستگاه فضایی در مدار نزدیک زمین که محیطی برای تحقیق در شرایط ریزگرانش فراهم میکند.
6 بیوزنی (Weightlessness): حالتی که در آن اثر نیروی گرانش بر جسم احساس نمیشود، مانند حالتی که در سقوط آزاد تجربه میشود.
7 وزن ظاهری (Apparent Weight): نیرویی که یک سطح (مانند کف آسانسور یا ترازو) در واکنش به جسم روی خود وارد میکند و ممکن است با وزن واقعی متفاوت باشد.
