En el uso común, la masa de un objeto a menudo se denomina peso , aunque en realidad son conceptos y cantidades diferentes. Sin embargo, un objeto siempre pesará más que otro con menos masa si ambos están sujetos a la misma gravedad (es decir, la misma intensidad del campo gravitacional ).
En contextos científicos, la masa es la cantidad de " materia " en un objeto (aunque "materia" puede ser difícil de definir), pero el peso es la fuerza que la gravedad ejerce sobre la materia de un objeto . [1] En la superficie de la Tierra , un objeto cuya masa es exactamente de un kilogramo pesa aproximadamente 9,81 newtons , el producto de su masa por la intensidad del campo gravitacional allí. El peso del objeto es menor en Marte , donde la gravedad es más débil; más sobre Saturno , donde la gravedad es más fuerte; y muy pequeño en el espacio, alejado de fuentes importantes de gravedad, pero siempre tiene la misma masa.
Los objetos materiales en la superficie de la Tierra tienen peso, aunque a veces resulta difícil medirlo. Un objeto que flota libremente sobre el agua, por ejemplo, no parece tener peso ya que el agua lo impulsa. Pero su peso se puede medir si se añade al agua en un recipiente totalmente sostenido por una balanza y se pesa en ella. Así, 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 en el aire. Sin embargo, el peso del globo y el gas que contiene simplemente se han transferido a una gran área de la superficie de la Tierra, lo que dificulta su medición. 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, se distribuye el mismo peso-fuerza sobre la superficie de la Tierra que cuando el avión estaba en la pista, pero repartida sobre un área mayor.
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 (para permanecer a velocidad constante) a menos que actúe sobre él una fuerza externa desequilibrada. El "peso" gravitacional es la fuerza creada cuando un campo gravitacional actúa sobre una masa y no se permite que el objeto caiga libremente, sino que es sostenido o retardado por una fuerza mecánica, como la superficie de un planeta. Tal fuerza constituye 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 gravitacional, su masa es constante, siempre que no se agregue 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 intenta acelerar el satélite en cualquier dirección todavía necesita ejercer fuerza, y necesita ejercer diez veces más fuerza para acelerar un satélite de 10 toneladas al mismo ritmo que uno con una masa de sólo 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 . Bajo la dirección de Sir Isaac Newton Leyes del movimiento de hace 337 años 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 velocidad). aceleración debida a la gravedad de la Tierra ) [4] cuando actúa sobre ella una fuerza, F , de un newton .
La inercia se ve cuando una bola de boliche se empuja horizontalmente sobre una superficie nivelada 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 boliche que uno debe contrarrestar cuando la levanta del suelo. El peso de la bola de boliche en la Luna sería una sexta parte del que pesa en la Tierra, aunque su masa se mantiene sin cambios. En consecuencia, siempre que domina la física de la cinética de retroceso (masa, velocidad, inercia, colisiones inelásticas y elásticas ) y la influencia de la gravedad es un factor insignificante, el comportamiento de los objetos sigue siendo 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 libre en la Luna que en la Tierra; sin embargo, caerían en los bolsillos 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 (ver también Libra: Uso en el comercio ) . Por el contrario, el índice de carga de los neumáticos de automóviles, que especifica la carga estructural máxima de 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 ambos no se aplicaba estrictamente en la escritura técnica, por lo que todavía se ven expresiones como "peso molecular" (para masa molecular ).
Como la masa y el peso son cantidades separadas, tienen diferentes unidades de medida. 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 , utilizada tanto en el sistema imperial como en las unidades habituales de Estados Unidos , es una unidad de masa, y su unidad de fuerza relacionada es la libra-fuerza .
Cuando el peso de un objeto (su fuerza gravitacional) 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 de la superficie de la Tierra están sujetos a una aceleración gravitacional de aproximadamente 9,8 m/s 2 . La Conferencia General de Pesas y Medidas fijó el valor de la gravedad estándar exactamente en 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 . Así, el kilogramo-fuerza se define exactamente como 9,80665 newtons. En realidad, la aceleración gravitacional (símbolo: g ) varía ligeramente con la latitud , la elevación y la densidad del subsuelo; estas variaciones suelen ser sólo de unas pocas décimas de porcentaje. Véase también Gravimetría .
Los ingenieros y científicos comprenden las distinciones entre masa, fuerza y peso. Los ingenieros en disciplinas que involucran carga de peso (fuerza sobre una estructura debido a la gravedad), como la ingeniería estructural , convierten la masa de objetos como concreto y automóviles (expresada en kilogramos) en una fuerza en newtons (multiplicando por algún factor alrededor de 9,8; 2 cifras significativas suelen ser suficientes para tales cálculos) para derivar la carga del objeto. Las propiedades de los materiales, como el módulo de elasticidad , se miden y publican en términos de newton y pascal (una unidad de presión relacionada con el newton).
Normalmente, 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 uno 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 familiares 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 adquiere una flotabilidad neutra y puede flotar por la casa a uno o dos metros del suelo. En tal estado, hay momentos en los que el globo no sube ni baja y, en el sentido de que a una balanza colocada debajo no se le aplica ninguna fuerza, es, en cierto sentido, perfectamente ingrávido (en realidad, como se indica a continuación, el peso simplemente tiene 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 sólo unos pocos gramos, lo que puede resultar casi imperceptible, la goma aún conserva toda su masa cuando se infla.
Una vez más, a diferencia del efecto que tienen los entornos de baja gravedad sobre el peso, la flotabilidad no hace que una parte del peso de un objeto desaparezca; En cambio, el peso faltante lo soporta el suelo, lo que deja que se aplique menos fuerza (peso) a cualquier báscula teóricamente colocada debajo del objeto en cuestión (aunque quizás uno pueda tener algunos problemas con los aspectos prácticos de pesar con precisión algo individualmente en esa condición). ). 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 soporta la piscina y, en última instancia, la báscula debajo de la piscina. Mientras que un objeto flotante (en una báscula 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 se aplica también a los sistemas objeto / aire ; Grandes volúmenes de aire (y, en última instancia, el suelo) soportan el peso que un cuerpo pierde debido a la flotabilidad en el aire.
Los efectos de la flotabilidad no afectan sólo a los globos; Tanto los líquidos como los gases son fluidos en las ciencias físicas, y cuando todos los objetos de tamaño macro, mayores 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 de un globo flotando en el aire, la flotabilidad puede contrarrestar completamente el peso gravitacional del objeto que se pesa, para un dispositivo de pesaje en la piscina. Sin embargo, como se señaló, 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 otro lugar, no se ha hecho desaparecer.
La masa de los globos "ingrávidos" (con flotabilidad neutra) se puede apreciar mejor con globos aerostáticos mucho más grandes. Aunque no se requiere ningún esfuerzo para contrarrestar su peso cuando flotan sobre el suelo (cuando a menudo pueden estar a cien newtons de peso cero), la inercia asociada con su masa apreciable de varios cientos de kilogramos o más puede derribar a hombres adultos. sus pies cuando la canasta del globo se mueve horizontalmente sobre el suelo.
La flotabilidad y la consiguiente reducción 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 decreciente de la flotabilidad sobre el peso corporal (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 precisión que se tiene en cuenta la densidad del aire para compensar los efectos de 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 se fabrican con aleaciones especiales de acero inoxidable [7] con densidades de unos 8.000 kg/m 3 , que ocupan mayor volumen que los de platino-iridio, que tienen una densidad de unos 21.550 kg/m 3 . Por conveniencia, se desarrolló un valor estándar de flotabilidad en relación con el acero inoxidable para trabajos de metrología y esto da como resultado el término "masa convencional". [8] La masa convencional se define como sigue: "Para una masa a 20 °C, 'masa convencional' es la masa de un patrón de referencia de densidad 8.000 kg/m 3 que se equilibra en el aire con una densidad de 1,2 kg/m 3. " El efecto es pequeño, 150 ppm para los patrones de masa de acero inoxidable, pero se realizan las correcciones apropiadas durante la fabricación de todos los patrones de masa de precisión para que tengan la masa verdadera etiquetada.
Siempre que una báscula (o balanza) de alta precisión utilizada habitualmente en el laboratorio se calibra utilizando estándares de acero inoxidable, en realidad la báscula se está calibrando con una masa convencional; es decir, masa verdadera menos 150 ppm de flotabilidad. Dado que los objetos con exactamente la misma masa pero con diferentes densidades desplazan diferentes volúmenes y, por lo tanto, tienen diferentes flotabilidades y pesos, cualquier objeto medido en esta báscula (en comparación con un estándar de masa de acero inoxidable) tiene su masa convencional medida; es decir, su verdadera masa menos un grado desconocido de flotabilidad. En trabajos de alta precisión, el volumen del artículo se puede medir para anular matemáticamente el efecto de flotabilidad.
Cuando uno se para en una báscula tipo barra de equilibrio en el consultorio de un médico, le miden su masa directamente. Esto se debe a que las balanzas (comparadores de masas de doble plato) comparan la fuerza gravitacional ejercida sobre la persona en la plataforma con la que actúan sobre los contrapesos deslizantes de las vigas; la gravedad es el mecanismo generador de fuerza que permite que la aguja diverja 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 engordó un 0,3%; son inmunes a la fuerza centrífuga que contrarresta la gravedad debido a la rotación de la Tierra alrededor de su eje. Pero si uno se sube a básculas basadas en resortes o basadas en celdas de carga digitales (dispositivos de un solo platillo), le están midiendo su peso (fuerza gravitacional); y las variaciones en la fuerza del campo gravitacional afectan la lectura. En la práctica, cuando estas básculas se utilizan en el comercio o en hospitales, a menudo se ajustan in situ y se certifican sobre esa base, 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 Estándares y Tecnología (NIST) han definido el uso de masa y peso en el intercambio de bienes bajo las Leyes y Regulaciones Uniformes en las áreas de metrología legal y calidad del combustible de motor en el Manual 130 del NIST.
El manual 130 del NIST establece:
V. "Masa" y "Peso". [NOTA 1, consulte la 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 fuerza de gravedad sobre la Tierra le da a un objeto una aceleración hacia abajo de aproximadamente 9,8 m/s 2 . En el comercio y en 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 incluir los materiales de embalaje. El uso del término "masa" predomina 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, consulte la página 6]
Cuando se utiliza en este manual, el término "peso" significa "masa". El término "peso" aparece cuando se citan unidades pulgada-libra, o cuando se incluyen en un requisito unidades pulgada-libra y SI. Los términos "masa" o "masas" se utilizan cuando en un requisito sólo se citan unidades del SI. 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". (Consulte los párrafos 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 EE. UU., que reemplaza este manual, también define el peso, particularmente el peso neto, en términos de libra avoirdupois o 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 en forma de paquete deberá llevar una declaración de la cantidad neta de su contenido. Éste se expresará en términos de peso, medida, conteo numérico o una combinación de conteo numérico y peso o medida. La declaración se hará en términos de medida de líquido 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 ser en términos de medida seca si el alimento es una fruta fresca, verdura fresca u otro producto seco que habitualmente se vende en medida seca. Si existe un uso general de los consumidores y una costumbre comercial firmemente establecida de declarar el contenido de un líquido en peso, o de un producto sólido, semisólido o viscoso mediante 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 valores por parte de los consumidores y ofrece oportunidades para la confusión de los consumidores, El reglamento designa el término o términos apropiados que se utilizarán para dicho producto.
(b)(1) Las declaraciones de peso se harán 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 prescripción.