משקל (פיזיקה)
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
בפיזיקה, יש למשקל שתי משמעויות דומות:
- משקל הוא הכוח הגרביטציוני הפועל על גוף (הכוח mg באיור).
- משקל הוא הכוח המפעילה תמיכה על גוף, כך שהיא מתנגדת לנפילת הגוף (הכוח N באיור).
שתי ההגדרות נפוצות בספרות והן קרובות במשמעות, אך אינן זהות. הכוח הגרביטציוני והכוח הנורמלי אינם צמד פעולה-תגובה ולכן אינם חייבים להיות שווים, אם כי הם אכן שווים בחלק גדול מהמקרים. במאמר זה נתייחס למשקל במשמעות השנייה.
בשפה היום-יומית משתמשים לרוב במלה משקל במשמעות של מסה, אך אין לבלבל ביניהם. מסה מציינת את כמות החומר, בעוד שמשקל הוא הכוח הפועל עליו. במערכת MKS, משקל נמדד בניוטונים, כיוון שהוא סוג של כוח. לפעמים מודדים משקל גם בקילוגרם-כוח (קג"כ), ואז המסה והמשקל זהים בגודלם לו המשקל נמדד על כדור הארץ.
[עריכה] משקל ומסה
מסה היא מונח המתאר את כמות החומר שיש בגוף מסוים. היא תכונה פנימית של הגוף, ואינה תלויה במערכת הייחוס (להוציא אפקטים יחסותיים). מסה נמדדת בקילוגרמים. משקל, לעומת זאת, מתאר את הכוח הפועל על גוף, והוא משתנה בהתאם לתנאי המדידה (ליתר דיוק - בהתאם למערכת הייחוס). במעלית המאיצה כלפי מעלה, לדוגמה, אנו מרגישים משקל גדול יותר, אם כי מסת גופנו לא משתנה. חשוב לציין כי זו אינה רק "תחושה" - אם נעמוד על משקל הוא אכן ימדוד משקל גדול יותר בזמן שהמעלית מאיצה כלפי מעלה. למעשה, אין דרך ניסיונית להבחין בין הימצאות במעלית מאיצה לבין הימצאות בשדה כבידה. זהו אחד מהעקרונות המרכזיים בתורת היחסות הכללית של איינשטיין.
הבדל חשוב נוסף הוא כי המסה היא סקלר, והמשקל הוא וקטור. כלומר, המסה אינה פועלת בכיוון מסוים, שכן אין משמעות לטענה שהמסה היא 50 ק"ג בכיוון ימין, לדוגמה. המשקל הוא גודל ווקטורי, והוא פועל בכיוון אחד. על כן המסה תישמר גם בתנאים של חוסר גרביטציה, כבחלל למשל.
בחיי היומיום, לרוב משתמשים במלה משקל במשמעות של מסה, וזאת כי אנו משתמשים במשקל כדי למדוד מסה. כשאנו קונים תפוחים, לדוגמה, אנו מודדים את מסת התפוחים בעזרת מכשיר המודד את הכוח שהתפוחים מפעילים על משטח או על קפיץ תלוי. המשקל יציג נתונים לא נכונים אם נשקול את התפוחים במעלית מאיצה או, למשל, על הירח.
[עריכה] המשקל תלוי במערכת הייחוס
כפי שראינו, המשקל משתנה כאשר מודדים אותו במערכת מאיצה. ניתן ללמוד הרבה מניתוח תחושת חוסר המשקל של אסטרונאוטים הנמצאים במסלול לוויני סביב כדור הארץ. האסטרונאוטים, יחד עם החללית, מקיפים את כדור הארץ במסלול מעגלי ולכן ניתן להבין שפועל עליהם כוח גרביטציוני. אם כך, מדוע הם חשים חסרי משקל? אנו יודעים כי תאוצת הנפילה החופשית של גוף אינה תלוייה במסתו. על האסטרונאוטים לא פועלים כוחות פרט לכוח הגרביטציה, ולמעשה הם נופלים בנפילה חופשית. אך חשוב לזכור כי גם החללית נופלת באותה תאוצה בדיוק! לכן, יחסית לחללית (בניסוח מדעי יותר - במערכת החללית) לא פועל על האסטרונאוטים כוח. יש לציין כי אם היינו משתמשים בהגדרה של משקל ככוח גרביטציוני, היינו אומרים כי לאסטרונאוטים יש משקל, אך המשקל הנצפה שלהם הוא אפס.
אם נכליל את המקרים שבחנו - האסטרנאוטים במסלול והתפוחים במעלית - נוכל לומר באופן הכללי ביותר, שמשקלו של גוף הנמצא במנוחה במערכת מסוימת, שווה למסתו מוכפלת בתאוצת הנפילה החופשית במערכת. לתאוצת נפילה החופשית יחסית למערכת קוראים שדה הכבידה האפקטיבי או בקיצור g האפקטיבי. יחסית לחללית g האפקטיבי הוא אפס (כי אם משחררים גוף, הוא לא מאיץ), ולכן משקלם של האסטרונאוטים הוא אפס. במעלית מאיצה כלפי מעלה, g האפקטיבי גדול יותר מברחבת השוק, ולכן התפוחים ישקלו יותר במעלית מאשר בשוק.
חשוב להבין כי כאשר גוף מונח על משטח או תלוי על חוט, הכוח המחזיק אותו (הכוח הנורמלי או המתיחות) וכוח הכובד אינם צמד פעולה-תגובה. אם נשוב לדוגמה של התפוחים על המשקל בדוכן בשוק, הכוח הצמוד לכוח הנורמלי הפועל על התפוחים הוא הכוח הנורמלי הפועל על המשקל. הכוח הצמוד לכוח הכובד הוא הכוח שבו נמשך כדור הארץ לתפוחים. כל צמד חייב להיות שווה גודל ובעל כיוון הפוך, אך אין הכרח שהכוח הנורמלי יהיה שווה לכוח הכובד.
