En el lenguaje común, la masa de un objeto se suele denominar peso , aunque en realidad se trata de conceptos y magnitudes diferentes. No obstante, un objeto siempre pesará más que otro con menos masa si ambos están sujetos a la misma gravedad (es decir, a la misma intensidad del campo gravitatorio ).
En contextos científicos, la masa es la cantidad de " materia " en un objeto (aunque la "materia" puede ser difícil de definir), pero el peso es la fuerza ejercida sobre la materia de un objeto por la gravedad . [1] En la superficie de la Tierra , un objeto cuya masa es exactamente un kilogramo pesa aproximadamente 9,81 newtons , el producto de su masa por la intensidad del campo gravitatorio allí. El peso del objeto es menor en Marte , donde la gravedad es más débil; más en Saturno , donde la gravedad es más fuerte; y muy pequeño en el espacio, lejos de fuentes significativas de gravedad, pero siempre tiene la misma masa.
Los objetos materiales que se encuentran en la superficie de la Tierra tienen peso, a pesar de que a veces es difícil medirlo. Un objeto que flota libremente sobre el agua, por ejemplo, no parece tener peso, ya que se mantiene a flote gracias al agua. Pero su peso se puede medir si se añade al agua de un recipiente que está completamente sostenido por una báscula y se pesa en ella. Por lo tanto, el "objeto ingrávido" que flota en el agua en realidad transfiere su peso al fondo del recipiente (donde aumenta la presión). De manera similar, un globo tiene masa, pero puede parecer que no tiene peso o incluso que tiene un peso negativo, debido a la flotabilidad del aire. Sin embargo, el peso del globo y del gas que hay en su interior simplemente se ha transferido a una gran área de la superficie de la Tierra, lo que hace que el peso sea difícil de medir. El peso de un avión en vuelo se distribuye de manera similar en el suelo, pero no desaparece. Si el avión está en vuelo nivelado, la misma fuerza de peso se distribuye en la superficie de la Tierra que cuando el avión estaba en la pista, pero se extiende sobre un área más grande.
Una mejor definición científica de masa es su descripción como una medida de inercia , que es la tendencia de un objeto a no cambiar su estado actual de movimiento (a permanecer a velocidad constante) a menos que actúe sobre él una fuerza externa desequilibrada. El "peso" gravitacional es la fuerza creada cuando un campo gravitatorio actúa sobre una masa y el objeto no puede caer libremente, sino que es sostenido o retardado por una fuerza mecánica, como la superficie de un planeta. Tal fuerza constituye el peso. [2] A esta fuerza se le puede sumar cualquier otro tipo de fuerza.
Si bien el peso de un objeto varía en proporción a la fuerza del campo gravitatorio, su masa es constante, siempre que no se añada energía o materia al objeto. [3] Por ejemplo, aunque un satélite en órbita (esencialmente en caída libre) es "ingrávido", aún conserva su masa e inercia. En consecuencia, incluso en órbita, un astronauta que intente acelerar el satélite en cualquier dirección todavía necesita ejercer fuerza, y necesita ejercer diez veces más fuerza para acelerar un satélite de 10 toneladas a la misma velocidad que uno con una masa de solo 1 tonelada.
La masa es (entre otras propiedades) una propiedad inercial , es decir, la tendencia de un objeto a permanecer a velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza externa . Según la teoría de Sir Isaac Newton Leyes del movimiento de 337 años de antigüedad y una fórmula importante que surgió de su trabajo, F = ma , un objeto con una masa, m , de un kilogramo acelera , a , a un metro por segundo por segundo (aproximadamente una décima parte de la aceleración debida a la gravedad de la Tierra ) [4] cuando actúa sobre él una fuerza, F , de un newton .
La inercia se observa cuando una bola de bolos se empuja horizontalmente sobre una superficie plana y lisa y continúa en movimiento horizontal. Esto es bastante distinto de su peso, que es la fuerza gravitacional hacia abajo de la bola de bolos que uno debe contrarrestar al sostenerla en el suelo. El peso de la bola de bolos en la Luna sería una sexta parte del de la Tierra, aunque su masa permanece invariable. En consecuencia, siempre que predomine la física de la cinética del retroceso (masa, velocidad, inercia, colisiones inelásticas y elásticas ) y la influencia de la gravedad sea un factor despreciable, el comportamiento de los objetos permanece constante incluso cuando la gravedad es relativamente débil. Por ejemplo, las bolas de billar en una mesa de billar se dispersarían y retrocederían con las mismas velocidades y energías después de un tiro de apertura en la Luna que en la Tierra; sin embargo, caerían en las troneras mucho más lentamente.
En las ciencias físicas, los términos "masa" y "peso" se definen rígidamente como medidas separadas, ya que son propiedades físicas diferentes. En el uso cotidiano, como todos los objetos cotidianos tienen masa y peso y uno es casi exactamente proporcional al otro, "peso" a menudo sirve para describir ambas propiedades, y su significado depende del contexto. Por ejemplo, en el comercio minorista, el "peso neto" de los productos en realidad se refiere a la masa y se expresa en unidades de masa como gramos u onzas (véase también Libra: Uso en el comercio ) . Por el contrario, el índice de carga de los neumáticos de los automóviles, que especifica la carga estructural máxima para un neumático en kilogramos, se refiere al peso; es decir, la fuerza debida a la gravedad. Antes de finales del siglo XX, la distinción entre los dos no se aplicaba estrictamente en los escritos técnicos, por lo que todavía se ven expresiones como "peso molecular" (para masa molecular ).
Como la masa y el peso son cantidades separadas, tienen unidades de medida diferentes. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el kilogramo es la unidad básica de masa y el newton es la unidad básica de fuerza. El kilogramo-fuerza, que no pertenece al SI, también es una unidad de fuerza que se utiliza normalmente para medir el peso. De manera similar, la libra avoirdupois , que se utiliza tanto en el sistema imperial como en las unidades tradicionales de EE. UU ., es una unidad de masa, y su unidad de fuerza relacionada es la libra-fuerza .
Cuando el peso de un objeto (su fuerza gravitatoria) se expresa en "kilogramos", en realidad se refiere al kilogramo-fuerza (kgf o kg-f), también conocido como kilopondio (kp), que es una unidad de fuerza no perteneciente al SI. Todos los objetos en la superficie de la Tierra están sujetos a una aceleración gravitatoria de aproximadamente 9,8 m/s 2 . La Conferencia General de Pesas y Medidas fijó el valor de la gravedad estándar en exactamente 9,80665 m/s 2 para que disciplinas como la metrología tuvieran un valor estándar para convertir unidades de masa definida en fuerzas y presiones definidas . Por lo tanto, el kilogramo-fuerza se define exactamente como 9,80665 newtons. En realidad, la aceleración gravitatoria (símbolo: g ) varía ligeramente con la latitud , la elevación y la densidad del subsuelo; estas variaciones son típicamente solo unas décimas de un porcentaje. Véase también Gravimetría .
Los ingenieros y científicos comprenden las diferencias entre masa, fuerza y peso. Los ingenieros en disciplinas que implican la carga de peso (fuerza sobre una estructura debido a la gravedad), como la ingeniería estructural , convierten la masa de objetos como el hormigón y los automóviles (expresada en kilogramos) en una fuerza en newtons (multiplicándola por algún factor alrededor de 9,8; dos cifras significativas suelen ser suficientes para tales cálculos) para derivar la carga del objeto. Las propiedades de los materiales, como el módulo elástico , se miden y publican en términos de newton y pascal (una unidad de presión relacionada con el newton).
Por lo general, la relación entre masa y peso en la Tierra es muy proporcional; los objetos que son cien veces más masivos que una botella de refresco de un litro casi siempre pesan cien veces más: aproximadamente 1.000 newtons, que es el peso que se esperaría en la Tierra de un objeto con una masa ligeramente superior a 100 kilogramos. Sin embargo, este no es siempre el caso y hay objetos conocidos que violan esta proporcionalidad masa/peso .
Un globo de juguete común lleno de helio es algo familiar para muchos. Cuando un globo de este tipo está completamente lleno de helio, tiene flotabilidad , una fuerza que se opone a la gravedad. Cuando un globo de juguete se desinfla parcialmente, a menudo se vuelve neutral y puede flotar por la casa a un metro o dos del suelo. En ese estado, hay momentos en que el globo no se eleva ni desciende y, en el sentido de que no se aplica ninguna fuerza sobre una balanza colocada debajo, es, en cierto sentido, perfectamente ingrávido (en realidad, como se indica a continuación, el peso simplemente se ha redistribuido a lo largo de la superficie de la Tierra, por lo que no se puede medir). Aunque la goma que compone el globo tiene una masa de solo unos pocos gramos, lo que podría ser casi imperceptible, la goma aún conserva toda su masa cuando está inflada.
De nuevo, a diferencia del efecto que los entornos de baja gravedad tienen sobre el peso, la flotabilidad no hace que una parte del peso de un objeto desaparezca; el peso faltante es soportado por el suelo, lo que hace que se aplique menos fuerza (peso) a cualquier balanza que se coloque teóricamente debajo del objeto en cuestión (aunque tal vez uno pueda tener algún problema con los aspectos prácticos de pesar con precisión algo individualmente en esas condiciones). Sin embargo, si uno pesara una pequeña piscina para niños en la que alguien entrara y comenzara a flotar, descubriría que todo el peso de la persona lo soportaba la piscina y, en última instancia, la balanza debajo de la piscina. Mientras que un objeto flotante (en una balanza que funcione correctamente para pesar objetos flotantes) pesaría menos, el sistema objeto / fluido se vuelve más pesado por el valor de la masa total del objeto una vez que se agrega el objeto. Dado que el aire es un fluido, este principio también se aplica a los sistemas objeto / aire ; grandes volúmenes de aire (y en última instancia el suelo) soportan el peso que un cuerpo pierde a través de la flotabilidad en el aire.
Los efectos de la flotabilidad no sólo afectan a los globos; tanto los líquidos como los gases son fluidos en las ciencias físicas, y cuando todos los objetos de tamaño macro más grandes que las partículas de polvo se sumergen en fluidos en la Tierra, tienen cierto grado de flotabilidad. [5] En el caso de un nadador flotando en una piscina o un globo flotando en el aire, la flotabilidad puede contrarrestar por completo el peso gravitacional del objeto que se está pesando, en el caso de un dispositivo de pesaje en la piscina. Sin embargo, como se ha señalado, un objeto sostenido por un fluido no es fundamentalmente diferente de un objeto sostenido por una eslinga o un cable: el peso simplemente se ha transferido a otra ubicación, no se ha hecho desaparecer.
La masa de los globos "ingrávidos" (flotantes de manera neutra) se puede apreciar mejor con globos aerostáticos mucho más grandes. Aunque no se requiere ningún esfuerzo para contrarrestar su peso cuando están suspendidos sobre el suelo (cuando a menudo pueden estar a cien newtons de cero peso), la inercia asociada con su apreciable masa de varios cientos de kilogramos o más puede derribar a hombres adultos cuando la canasta del globo se mueve horizontalmente sobre el suelo.
La flotabilidad y la reducción resultante de la fuerza descendente de los objetos que se pesan son la base del principio de Arquímedes , que establece que la fuerza de flotabilidad es igual al peso del fluido que desplaza el objeto. Si este fluido es aire, la fuerza puede ser pequeña.
Normalmente, el efecto de la flotabilidad del aire sobre objetos de densidad normal es demasiado pequeño para tener alguna consecuencia en las actividades cotidianas. Por ejemplo, el efecto de disminución de la flotabilidad sobre el peso corporal de una persona (un objeto de densidad relativamente baja) es 1 ⁄ 860 del de la gravedad (para el agua pura es aproximadamente 1 ⁄ 770 del de la gravedad). Además, las variaciones en la presión barométrica rara vez afectan el peso de una persona más de ±1 parte en 30.000. [6] Sin embargo, en metrología (la ciencia de la medición), los patrones de masa de precisión para calibrar básculas y balanzas de laboratorio se fabrican con tal exactitud que se tiene en cuenta la densidad del aire para compensar los efectos de la flotabilidad. Dado el coste extremadamente alto de los patrones de masa de platino-iridio como el prototipo internacional del kilogramo ( el patrón de masa en Francia que definió la magnitud del kilogramo), los patrones "de trabajo" de alta calidad están hechos de aleaciones especiales de acero inoxidable [7] con densidades de aproximadamente 8.000 kg/m 3 , que ocupan un volumen mayor que los hechos de platino-iridio, que tienen una densidad de aproximadamente 21.550 kg/m 3 . Por conveniencia, se desarrolló un valor estándar de flotabilidad relativa al acero inoxidable para el trabajo de metrología y esto da como resultado el término "masa convencional". [8] La masa convencional se define de la siguiente manera: "Para una masa a 20 °C, 'masa convencional' es la masa de un patrón de referencia de densidad 8.000 kg/m 3 que equilibra en el aire con una densidad de 1,2 kg/m 3 ." El efecto es pequeño, 150 ppm para los estándares de masa de acero inoxidable, pero se realizan las correcciones apropiadas durante la fabricación de todos los estándares de masa de precisión para que tengan la verdadera masa etiquetada.
Siempre que se calibra una balanza de alta precisión (o una balanza) de uso rutinario en el laboratorio utilizando estándares de acero inoxidable, la balanza en realidad se calibra a la masa convencional; es decir, la masa real menos 150 ppm de flotabilidad. Dado que los objetos con exactamente la misma masa pero con diferentes densidades desplazan volúmenes diferentes y, por lo tanto, tienen diferentes flotabilidades y pesos, cualquier objeto medido en esta balanza (en comparación con un estándar de masa de acero inoxidable) tiene su masa convencional medida; es decir, su masa real menos un grado desconocido de flotabilidad. En el trabajo de alta precisión, el volumen del artículo se puede medir para anular matemáticamente el efecto de la flotabilidad.
Cuando una persona se para sobre una balanza de tipo viga en el consultorio de un médico, se mide directamente su masa. Esto se debe a que las balanzas (comparadores de masas de "doble platillo") comparan la fuerza gravitatoria ejercida sobre la persona en la plataforma con la que ejercen sobre los contrapesos deslizantes de las vigas; la gravedad es el mecanismo generador de fuerza que permite que la aguja se desvíe del punto "equilibrado" (nulo). Estas balanzas podrían trasladarse desde el ecuador de la Tierra a los polos y darían exactamente la misma medida, es decir, no indicarían falsamente que el paciente del médico se volvió un 0,3% más pesado; son inmunes a la fuerza centrífuga que contrarresta la gravedad debido a la rotación de la Tierra sobre su eje. Pero si una persona se para sobre una balanza con resorte o con celda de carga digital (dispositivos de un solo platillo), se mide su peso (fuerza gravitatoria); y las variaciones en la fuerza del campo gravitatorio afectan la lectura. En la práctica, cuando se utilizan dichas básculas en el comercio o en hospitales, a menudo se ajustan en el lugar y se certifican en base a ello, de modo que la masa que miden, expresada en libras o kilogramos, tenga el nivel de precisión deseado. [9]
En los Estados Unidos de América, el Departamento de Comercio de los Estados Unidos , la Administración de Tecnología y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) han definido el uso de la masa y el peso en el intercambio de bienes bajo las Leyes y Reglamentos Uniformes en las áreas de metrología legal y calidad del combustible para motores en el Manual 130 del NIST.
El Manual 130 del NIST establece:
V. “Masa” y “Peso”. [NOTA 1, Véase página 6]
La masa de un objeto es una medida de la propiedad inercial del objeto, o la cantidad de materia que contiene. El peso de un objeto es una medida de la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad, o la fuerza necesaria para sostenerlo. La atracción de la gravedad sobre la tierra le da a un objeto una aceleración hacia abajo de aproximadamente 9,8 m/s2 . En el comercio y el uso cotidiano, el término "peso" se utiliza a menudo como sinónimo de "masa". La "masa neta" o "peso neto" declarado en una etiqueta indica que el paquete contiene una cantidad específica de producto sin contar los materiales de envoltura. El uso del término "masa" es predominante en todo el mundo y se está volviendo cada vez más común en los Estados Unidos. (Agregado en 1993)
W. Uso de los términos “masa” y “peso”. [NOTA 1, Véase página 6]
Cuando se utiliza en este manual, el término "peso" significa "masa". El término "peso" aparece cuando se citan unidades de pulgada-libra, o cuando se incluyen tanto unidades de pulgada-libra como del SI en un requisito. Los términos "masa" o "masas" se utilizan cuando solo se citan unidades del SI en un requisito. La siguiente nota aparece cuando el término "peso" se utiliza por primera vez en una ley o reglamento.
NOTA 1: Cuando se utiliza en esta ley (o reglamento), el término "peso" significa "masa". (Véase el párrafo V. y W. en la Sección I., Introducción, del Manual 130 del NIST para obtener una explicación de estos términos). (Agregado en 1993) 6"
La ley federal de los EE. UU., que reemplaza a este manual, también define el peso, en particular el peso neto, en términos de la libra avoirdupois o la libra de masa. De 21CFR101 Parte 101.105 – Declaración de cantidad neta de contenido cuando está exento [ enlace muerto permanente ] :
(a) El panel principal de exhibición de un alimento envasado deberá llevar una declaración de la cantidad neta del contenido. Esta se expresará en términos de peso, medida, recuento numérico o una combinación de recuento numérico y peso o medida. La declaración se hará en términos de medida de fluido si el alimento es líquido, o en términos de peso si el alimento es sólido, semisólido o viscoso, o una mezcla de sólido y líquido; excepto que dicha declaración puede hacerse en términos de medida seca si el alimento es una fruta fresca, verdura fresca u otro producto seco que se vende habitualmente en medida seca. Si existe un uso general firmemente establecido entre los consumidores y una costumbre comercial de declarar el contenido de un líquido por peso, o un producto sólido, semisólido o viscoso por medida de fluido, se podrá utilizar. Siempre que el Comisionado determine que una práctica existente de declarar la cantidad neta del contenido por peso, medida, recuento numérico o una combinación en el caso de un alimento envasado específico no facilita las comparaciones de valor por parte de los consumidores y ofrece la oportunidad de confusión para los consumidores, designará mediante reglamento el término o términos apropiados que se utilizarán para dicho producto.
(b)(1) Las declaraciones de peso se realizarán en términos de libras y onzas avoirdupois.
Consulte también 21CFR201 Parte 201.51 – “Declaración de cantidad neta de contenido” para conocer los requisitos generales de etiquetado y etiquetado de prescripciones.