En ciencia e ingeniería , el peso de un objeto es la fuerza que actúa sobre el objeto debido a la aceleración o la gravedad . [1] [2] [3]
Algunos libros de texto estándar [4] definen el peso como una cantidad vectorial , la fuerza gravitacional que actúa sobre el objeto. Otros [5] [6] definen el peso como una cantidad escalar, la magnitud de la fuerza gravitacional. Otros [7] lo definen como la magnitud de la fuerza de reacción ejercida sobre un cuerpo por mecanismos que contrarrestan los efectos de la gravedad: el peso es la cantidad que se mide, por ejemplo, con una báscula de resorte. Así, en estado de caída libre , el peso sería cero. En este sentido del peso, los objetos terrestres pueden ser ingrávidos: así, si se ignora la resistencia del aire , se podría decir que la legendaria manzana que cayó del árbol, en su camino hacia el suelo cerca de Isaac Newton , no tenía peso.
La unidad de medida del peso es la de la fuerza , que en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el newton . Por ejemplo, un objeto con una masa de un kilogramo tiene un peso de aproximadamente 9,8 newtons en la superficie de la Tierra y aproximadamente una sexta parte en la Luna . Aunque el peso y la masa son cantidades científicamente distintas, los términos a menudo se confunden entre sí en el uso cotidiano (por ejemplo, comparar y convertir fuerza, peso en libras a masa en kilogramos y viceversa). [8]
Otras complicaciones a la hora de dilucidar los distintos conceptos de peso tienen que ver con la teoría de la relatividad, según la cual la gravedad se modela como consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo . En la comunidad docente existe desde hace más de medio siglo un debate considerable sobre cómo definir el peso de sus estudiantes. La situación actual es que un conjunto múltiple de conceptos coexisten y encuentran uso en sus diversos contextos. [2]
La discusión sobre los conceptos de pesadez (peso) y ligereza (ligereza) se remonta a los antiguos filósofos griegos . Por lo general, se consideraban propiedades inherentes de los objetos. Platón describió el peso como la tendencia natural de los objetos a buscar a sus parientes. Para Aristóteles , el peso y la ligereza representaban la tendencia a restaurar el orden natural de los elementos básicos: aire, tierra, fuego y agua. Atribuyó peso absoluto a la tierra y absoluta levedad al fuego. Arquímedes vio el peso como una cualidad opuesta a la flotabilidad , y el conflicto entre ambas determinaba si un objeto se hunde o flota. La primera definición operativa de peso la dio Euclides , quien definió el peso como: "la pesadez o ligereza de una cosa, comparada con otra, medida con una balanza". [2] Sin embargo, los equilibrios operativos (en lugar de las definiciones) existen desde hace mucho más tiempo. [9]
Según Aristóteles, el peso era la causa directa del movimiento de caída de un objeto; se suponía que la velocidad del objeto que caía era directamente proporcional al peso del objeto. Cuando los eruditos medievales descubrieron que en la práctica la velocidad de un objeto que caía aumentaba con el tiempo, esto provocó un cambio en el concepto de peso para mantener esta relación causa-efecto. El peso se dividió en un "peso inmóvil" o pondus , que permanecía constante, y la gravedad real o gravitas , que cambiaba a medida que el objeto caía. El concepto de gravitas fue eventualmente reemplazado por el ímpetu de Jean Buridan , un precursor del impulso . [2]
El surgimiento de la visión copernicana del mundo condujo al resurgimiento de la idea platónica de que los objetos similares se atraen pero en el contexto de los cuerpos celestes. En el siglo XVII, Galileo hizo importantes avances en el concepto de peso. Propuso una forma de medir la diferencia entre el peso de un objeto en movimiento y uno en reposo. En última instancia, concluyó que el peso era proporcional a la cantidad de materia de un objeto, no a la velocidad del movimiento como suponía la visión aristotélica de la física. [2]
La introducción de las leyes del movimiento de Newton y el desarrollo de la ley de gravitación universal de Newton llevaron a un desarrollo considerable del concepto de peso. El peso se separó fundamentalmente de la masa . La masa se identificó como una propiedad fundamental de los objetos relacionada con su inercia , mientras que el peso pasó a identificarse con la fuerza de gravedad sobre un objeto y, por lo tanto, dependiente del contexto del objeto. En particular, Newton consideraba que el peso era relativo a otro objeto que causaba la atracción gravitacional, por ejemplo, el peso de la Tierra hacia el Sol. [2]
Newton consideraba que el tiempo y el espacio eran absolutos. Esto le permitió considerar conceptos como posición verdadera y velocidad verdadera. [ se necesita aclaración ] Newton también reconoció que el peso medido por la acción de pesar se veía afectado por factores ambientales como la flotabilidad. Consideró que se trataba de un peso falso inducido por condiciones de medición imperfectas, por lo que introdujo el término peso aparente en comparación con el peso verdadero definido por la gravedad. [2]
Aunque la física newtoniana hizo una distinción clara entre peso y masa, el término peso siguió utilizándose comúnmente cuando la gente se refería a masa. Esto llevó a la III Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) de 1901 a declarar oficialmente: "La palabra peso denota una cantidad de la misma naturaleza que una fuerza : el peso de un cuerpo es el producto de su masa por la aceleración debida a la gravedad". ", distinguiéndolo así de la misa para uso oficial.
En el siglo XX, los conceptos newtonianos de tiempo y espacio absolutos fueron desafiados por la relatividad. El principio de equivalencia de Einstein puso a todos los observadores, en movimiento o acelerando, en pie de igualdad. Esto llevó a una ambigüedad en cuanto a qué se entiende exactamente por fuerza de gravedad y peso. Una báscula en un ascensor que acelera no se puede distinguir de una báscula en un campo gravitacional. La fuerza gravitacional y el peso se convirtieron así en cantidades esencialmente dependientes del marco. Esto provocó el abandono del concepto por considerarlo superfluo en las ciencias fundamentales como la física y la química. No obstante, el concepto siguió siendo importante en la enseñanza de la física. Las ambigüedades introducidas por la relatividad llevaron, a partir de la década de 1960, a un considerable debate en la comunidad docente sobre cómo definir el peso para sus estudiantes, eligiendo entre una definición nominal de peso como la fuerza debida a la gravedad o una definición operativa definida por el acto de peso. [2]
Existen varias definiciones de peso , y no todas son equivalentes. [3] [10] [11] [12]
La definición más común de peso que se encuentra en los libros de texto de introducción a la física define el peso como la fuerza ejercida sobre un cuerpo por la gravedad. [1] [12] Esto a menudo se expresa en la fórmula W = mg , donde W es el peso, m la masa del objeto y g la aceleración gravitacional .
En 1901, la III Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) estableció esta como su definición oficial de peso :
La palabra peso denota una cantidad de la misma naturaleza [Nota 1] que una fuerza : el peso de un cuerpo es el producto de su masa por la aceleración debida a la gravedad.
— Resolución 2 de la III Conferencia General de Pesas y Medidas [14] [15]
Esta resolución define el peso como un vector, ya que la fuerza es una cantidad vectorial. Sin embargo, algunos libros de texto también consideran que el peso es escalar al definir:
El peso W de un cuerpo es igual a la magnitud F g de la fuerza gravitacional sobre el cuerpo. [dieciséis]
La aceleración gravitacional varía de un lugar a otro. A veces, simplemente se considera que tiene un valor estándar de 9,80665 m/s 2 , lo que da el peso estándar . [14]
La fuerza cuya magnitud es igual a mg newtons también se conoce como m kilogramo de peso (cuyo término se abrevia como kg-wt ) [17]
En la definición operativa, el peso de un objeto es la fuerza medida por la operación de pesarlo, que es la fuerza que ejerce sobre su soporte . [10] Dado que W es la fuerza hacia abajo sobre el cuerpo por el centro de la tierra y no hay aceleración en el cuerpo, existe una fuerza opuesta e igual por el soporte sobre el cuerpo. También es igual a la fuerza que ejerce el cuerpo sobre su soporte porque acción y reacción tienen el mismo valor numérico y dirección opuesta. Esto puede marcar una diferencia considerable, dependiendo de los detalles; por ejemplo, un objeto en caída libre ejerce poca o ninguna fuerza sobre su soporte, situación que comúnmente se conoce como ingravidez . Sin embargo, estar en caída libre no afecta el peso según la definición gravitacional. Por lo tanto, la definición operativa a veces se refina exigiendo que el objeto esté en reposo. [ cita necesaria ] Sin embargo, esto plantea la cuestión de definir "en reposo" (por lo general, estar en reposo con respecto a la Tierra está implícito en el uso de la gravedad estándar ). [ cita necesaria ] En la definición operativa, el peso de un objeto en reposo sobre la superficie de la Tierra se reduce por el efecto de la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra.
La definición operativa, como suele darse, no excluye explícitamente los efectos de la flotabilidad , que reduce el peso medido de un objeto cuando se sumerge en un fluido como el aire o el agua. Como resultado, se podría decir que un globo flotante o un objeto que flota en el agua tiene peso cero.
En la norma internacional ISO ISO 80000-4:2006, [18] que describe las cantidades y unidades físicas básicas en mecánica como parte de la norma internacional ISO/IEC 80000 , la definición de peso se da como:
Definición
- ,
- donde m es la masa y g es la aceleración local de caída libre.
Observaciones
- Cuando el sistema de referencia es la Tierra, esta cantidad comprende no sólo la fuerza gravitacional local, sino también la fuerza centrífuga local debida a la rotación de la Tierra, fuerza que varía con la latitud.
- En el peso se excluye el efecto de la flotabilidad atmosférica.
- En el lenguaje común, el nombre "peso" se sigue utilizando cuando se refiere a "masa", pero esta práctica está en desuso.
— ISO 80000-4 (2006)
La definición depende del marco de referencia elegido . Cuando el marco elegido se mueve conjuntamente con el objeto en cuestión, esta definición concuerda precisamente con la definición operativa. [11] Si el marco especificado es la superficie de la Tierra, el peso según las definiciones ISO y gravitacional difiere sólo por los efectos centrífugos debidos a la rotación de la Tierra.
En muchas situaciones del mundo real, el acto de pesar puede producir un resultado que difiere del valor ideal proporcionado por la definición utilizada. Esto suele denominarse peso aparente del objeto. Un ejemplo común de esto es el efecto de flotabilidad , cuando un objeto se sumerge en un fluido , el desplazamiento del fluido provocará una fuerza hacia arriba sobre el objeto, haciéndolo parecer más liviano cuando se pesa en una báscula. [19] El peso aparente puede verse afectado de manera similar por la levitación y la suspensión mecánica. Cuando se utiliza la definición gravitacional de peso, el peso operativo medido con una báscula aceleradora a menudo también se denomina peso aparente. [20]
En el uso científico moderno, el peso y la masa son cantidades fundamentalmente diferentes: la masa es una propiedad intrínseca de la materia , mientras que el peso es una fuerza que resulta de la acción de la gravedad sobre la materia: mide con qué fuerza la fuerza de la gravedad atrae esa materia. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones cotidianas prácticas, la palabra "peso" se utiliza cuando, estrictamente, se refiere a "masa". [8] [21] Por ejemplo, la mayoría de la gente diría que un objeto "pesa un kilogramo", aunque el kilogramo es una unidad de masa.
La distinción entre masa y peso no es importante para muchos propósitos prácticos porque la fuerza de la gravedad no varía demasiado en la superficie de la Tierra. En un campo gravitacional uniforme, la fuerza gravitacional ejercida sobre un objeto (su peso) es directamente proporcional a su masa. Por ejemplo, el objeto A pesa 10 veces más que el objeto B, por lo tanto la masa del objeto A es 10 veces mayor que la del objeto B. Esto significa que la masa de un objeto se puede medir indirectamente por su peso, y así, para el día a día. Para estos propósitos, pesar (usando una báscula ) es una forma completamente aceptable de medir la masa. De manera similar, una balanza mide la masa indirectamente comparando el peso del artículo medido con el de uno o varios objetos de masa conocida. Dado que el objeto medido y la masa de comparación están prácticamente en el mismo lugar, experimentando el mismo campo gravitacional , el efecto de la variación de la gravedad no afecta la comparación ni la medición resultante.
El campo gravitacional de la Tierra no es uniforme, pero puede variar hasta un 0,5% [22] en diferentes lugares de la Tierra (ver Gravedad de la Tierra ). Estas variaciones alteran la relación entre peso y masa, y deben tenerse en cuenta en mediciones de peso de alta precisión que pretenden medir la masa indirectamente. Las básculas de resorte , que miden el peso local, deben calibrarse en el lugar en el que se utilizarán los objetos para mostrar este peso estándar, para que sean legales para el comercio. [ cita necesaria ]
Esta tabla muestra la variación de la aceleración debida a la gravedad (y por tanto la variación del peso) en varios lugares de la superficie de la Tierra. [23]
El uso histórico de "peso" en lugar de "masa" también persiste en cierta terminología científica; por ejemplo, todavía se pueden encontrar los términos químicos "peso atómico", "peso molecular" y "peso fórmula" en lugar del preferido " atómico ". masa ", etc.
En otro campo gravitacional, por ejemplo en la superficie de la Luna , un objeto puede tener un peso significativamente diferente que en la Tierra. La gravedad en la superficie de la Luna es sólo aproximadamente una sexta parte de la de la superficie de la Tierra. Una masa de un kilogramo sigue siendo una masa de un kilogramo (ya que la masa es una propiedad intrínseca del objeto), pero la fuerza hacia abajo debida a la gravedad, y por tanto su peso, es sólo una sexta parte de lo que tendría el objeto en la Tierra. Así, un hombre con una masa de 180 libras pesa sólo unas 30 libras fuerza cuando visita la Luna.
En la mayoría de los trabajos científicos modernos, las cantidades físicas se miden en unidades SI . La unidad SI de peso es la misma que la de fuerza: el newton (N), una unidad derivada que también se puede expresar en unidades básicas del SI como kg⋅m/s 2 (kilogramos por metros por segundo al cuadrado). [21]
En el uso comercial y cotidiano, el término "peso" se utiliza generalmente para significar masa, y el verbo "pesar" significa "determinar la masa de" o "tener una masa de". Usada en este sentido, la unidad SI adecuada es el kilogramo (kg). [21]
En las unidades habituales de los Estados Unidos , la libra puede ser una unidad de fuerza o una unidad de masa. [24] Las unidades relacionadas utilizadas en algunos subsistemas de unidades distintos y separados incluyen el libra y el slug . El libra se define como la fuerza necesaria para acelerar un objeto de una libra de masa a 1 pie/s 2 y equivale aproximadamente a 1/32,2 de libra de fuerza . El slug se define como la cantidad de masa que acelera a 1 pie/s 2 cuando se ejerce una libra de fuerza sobre él y equivale aproximadamente a 32,2 libras (masa).
El kilogramo-fuerza es una unidad de fuerza ajena al SI, definida como la fuerza ejercida por una masa de un kilogramo en la gravedad terrestre estándar (igual a 9,80665 newtons exactamente). La dina es la unidad de fuerza cgs y no forma parte del SI, mientras que los pesos medidos en la unidad de masa cgs, el gramo, siguen siendo parte del SI.
La sensación de peso es causada por la fuerza que ejercen los líquidos en el sistema vestibular , un conjunto tridimensional de tubos en el oído interno . [ dudoso ] En realidad es la sensación de fuerza g , independientemente de si se debe a estar estacionario en presencia de gravedad o, si la persona está en movimiento, el resultado de cualquier otra fuerza que actúe sobre el cuerpo, como como en el caso de la aceleración o desaceleración de un ascensor, o las fuerzas centrífugas al girar bruscamente.
El peso se mide comúnmente utilizando uno de dos métodos. Una báscula de resorte o una báscula hidráulica o neumática mide el peso local, la fuerza de gravedad local sobre el objeto ( fuerza de peso estrictamente aparente ). Dado que la fuerza de gravedad local puede variar hasta un 0,5% en diferentes lugares, las básculas de resorte medirán pesos ligeramente diferentes para el mismo objeto (la misma masa) en diferentes lugares. Para estandarizar los pesos, las básculas siempre se calibran para leer el peso que tendría un objeto con una gravedad estándar nominal de 9,80665 m/s 2 (aproximadamente 32,174 pies/s 2 ). Sin embargo, esta calibración se realiza en fábrica. Cuando la báscula se mueve a otro lugar de la Tierra, la fuerza de gravedad será diferente, provocando un ligero error. Por lo tanto, para que sean altamente precisas y legales para el comercio, las básculas de resorte deben recalibrarse en el lugar donde se utilizarán.
Por otro lado, una balanza compara el peso de un objeto desconocido en un platillo con el peso de masas estándar en el otro, utilizando un mecanismo de palanca : una balanza de palanca. Las masas estándar a menudo se denominan, de forma no técnica, "pesas". Dado que cualquier variación en la gravedad actuará por igual sobre los pesos desconocidos y conocidos, una balanza de palanca indicará el mismo valor en cualquier lugar de la Tierra. Por lo tanto, las "pesas" de la balanza generalmente se calibran y marcan en unidades de masa , por lo que la balanza de palanca mide la masa comparando la atracción de la Tierra sobre el objeto desconocido y las masas estándar en los platillos de la balanza. En ausencia de un campo gravitacional, lejos de los cuerpos planetarios (por ejemplo, el espacio), una balanza de palanca no funcionaría, pero en la Luna, por ejemplo, daría la misma lectura que en la Tierra. Algunas balanzas están marcadas en unidades de peso, pero como las pesas están calibradas en fábrica para la gravedad estándar, la balanza medirá el peso estándar, es decir, lo que pesaría el objeto con gravedad estándar, no la fuerza de gravedad local real sobre el objeto.
Si se necesita la fuerza de gravedad real sobre el objeto, ésta se puede calcular multiplicando la masa medida por la balanza por la aceleración debida a la gravedad, ya sea la gravedad estándar (para el trabajo diario) o la gravedad local precisa (para el trabajo de precisión). En la web se pueden encontrar tablas de la aceleración gravitacional en diferentes lugares.
Peso bruto es un término que generalmente se encuentra en aplicaciones comerciales o comerciales, y se refiere al peso total de un producto y su empaque. Por el contrario, el peso neto se refiere al peso del producto solo, descontado el peso de su envase o embalaje; y la tara es el peso del embalaje únicamente.
La siguiente tabla muestra aceleraciones gravitacionales comparativas en la superficie del Sol, la luna de la Tierra y cada uno de los planetas del sistema solar. Por "superficie" se entiende las cimas de las nubes de los gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Para el Sol, se entiende por superficie la fotosfera . Los valores de la tabla no han sido reducidos por el efecto centrífugo de la rotación de los planetas (y las velocidades del viento en las cimas de las nubes para los gigantes gaseosos) y por lo tanto, en términos generales, son similares a la gravedad real que se experimentaría cerca de los polos.
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