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En ciencia e ingeniería , el peso de un objeto es la fuerza que actúa sobre el objeto debido a 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. Sin embargo, 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 un estado de caída libre , el peso sería cero. En este sentido de peso, los objetos terrestres pueden ser ingrávidos: ignorando la resistencia del aire , la famosa manzana cayendo del árbol, en su camino hacia el suelo cercanoIsaac Newton , sería ingrávido.

La unidad de medida del peso es 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 diario (es decir, comparando y convirtiendo el peso de la fuerza en libras a masa en kilogramos y viceversa). [8]

Otras complicaciones para dilucidar los diversos 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, ha existido un debate considerable durante más de medio siglo sobre cómo definir el peso para sus estudiantes. La situación actual es que un conjunto múltiple de conceptos coexisten y encuentran uso en sus diversos contextos. [2]

Historia [ editar ]

Pesas de bronce oficiales griegas antiguas que datan de alrededor del siglo VI a. C., exhibidas en el Museo del Ágora Antiguo de Atenas, ubicado en la Estoa de Atalo .
Pesando grano, de Babur-namah [9]

La discusión de los conceptos de pesadez (peso) y ligereza (ligereza) se remonta a los antiguos filósofos griegos . Por lo general, estos 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 un peso absoluto a la tierra y una ligereza absoluta al fuego. Arquímedes vio el peso como una cualidad opuesta a la flotabilidad , y el conflicto entre los dos determina si un objeto se hunde o flota. La primera definición operativa de peso fue dada por Euclid, quien definió el peso como: "la pesadez o ligereza de una cosa, en comparación con otra, medida por una balanza". [2] Sin embargo, los saldos operativos (en lugar de las definiciones) se habían mantenido por mucho más tiempo. [10]

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 de causa-efecto. Peso se dividió en un "peso todavía" o pondus , que se mantuvo constante, y la gravedad o real gravitas , que cambió como el objeto cayó. El concepto de seriedad fue finalmente reemplazado por el ímpetu de Jean Buridan , un precursor del impulso . [2]

El surgimiento de la visión copernicana del mundo llevó 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 realizó avances significativos en el concepto de peso. Propuso una forma de medir la diferencia entre el peso de un objeto en movimiento y un objeto en reposo. En última instancia, concluyó que el peso era proporcional a la cantidad de materia de un objeto, no a la velocidad de movimiento como suponía la visión aristotélica de la física. [2]

Newton [ editar ]

La introducción de las leyes del movimiento de Newton y el desarrollo de la ley de la gravitación universal de Newton condujeron 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 se identificó con la fuerza de gravedad sobre un objeto y, por lo tanto, dependió del contexto del objeto. En particular, Newton consideró 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 del pesaje se ve afectado por factores ambientales como la flotabilidad. Consideró esto un peso falso inducido por condiciones de medición imperfectas, para lo cual introdujo el término peso aparente en comparación con el peso real definido por la gravedad. [2]

Aunque la física newtoniana hizo una clara distinción entre peso y masa, el término peso siguió usándose comúnmente cuando las personas significaban masa. Esto llevó a la 3a 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 y la aceleración debida a la gravedad". ", distinguiéndolo así de la masa para uso oficial.

Relatividad [ editar ]

En el siglo XX, los conceptos newtonianos de tiempo y espacio absolutos fueron desafiados por la relatividad. Principio de equivalencia de Einsteinponer 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 escala en un ascensor en aceleración no se puede distinguir de una escala 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 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 debate considerable 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]

Definiciones [ editar ]

Este dragster de combustible superior puede acelerar de cero a 160 kilómetros por hora (99 mph) en 0,86 segundos. Esta es una aceleración horizontal de 5.3  g. Combinado con la fuerza g vertical en el caso estacionario, el teorema de Pitágoras produce una fuerza  g de 5.4 g. Es esta fuerza g la que causa el peso del conductor si se usa la definición operativa. Si se usa la definición gravitacional, el peso del conductor no cambia por el movimiento del automóvil.

Existen varias definiciones de peso , pero no todas son equivalentes. [3] [11] [12] [13]

Definición gravitacional [ editar ]

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] [13] Esto a menudo se expresa en la fórmula W = mg , donde W es el peso, m la masa del objeto yg la aceleración gravitacional .

En 1901, la 3a Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) estableció esto 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 y la aceleración debida a la gravedad".

-  Resolución 2 de la Tercera Conferencia General sobre Pesas y Medidas [15] [16]

Esta resolución define el peso como un vector, ya que la fuerza es una cantidad vectorial. Sin embargo, algunos libros de texto también toman peso para ser un escalar al definir:

"El peso W de un cuerpo es igual a la magnitud F g de la fuerza gravitacional sobre el cuerpo". [17]

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 , que da el peso estándar . [15]

La fuerza cuya magnitud es igual a mg newtons también se conoce como m kilogramo de peso (cuyo término se abrevia como kg-wt ) [18]

Midiendo peso versus masa
Izquierda: una báscula de resorte mide el peso al ver cuánto empuja el objeto sobre un resorte (dentro del dispositivo). En la Luna, un objeto daría una lectura más baja. Derecha: una balanza mide indirectamente la masa, comparando un objeto con referencias. En la Luna, un objeto daría la misma lectura, porque el objeto y las referencias serían tanto ser más ligero.

Definición operativa [ editar ]

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 . [11] 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 apoyo sobre el cuerpo. También es igual a la fuerza que ejerce el cuerpo sobre su soporte porque la acción y la 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, una situación que se conoce comúnmente 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 al requerir que el objeto esté en reposo. [ cita requerida ] Sin embargo, esto plantea la cuestión de definir "en reposo" (por lo general, estar en reposo con respecto a la Tierra está implícito mediante el uso de la gravedad estándar ). [ cita requerida ] 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 se suele dar, 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 tienen un peso cero.

Definición ISO [ editar ]

En la norma internacional ISO ISO 80000-4: 2006, [19] 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 yg es la aceleración local de la caída libre.

Observaciones

  • Cuando el marco de referencia es la Tierra, esta cantidad comprende no solo la fuerza gravitacional local, sino también la fuerza centrífuga local debida a la rotación de la Tierra, una fuerza que varía con la latitud.
  • El efecto de la flotabilidad atmosférica se excluye en el peso.
  • En el lenguaje común, el nombre "peso" se sigue utilizando cuando se quiere decir "masa", pero esta práctica está desaprobada.
-  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 coincide precisamente con la definición operativa. [12] Si el marco especificado es la superficie de la Tierra, el peso según la ISO y las definiciones gravitacionales difieren solo por los efectos centrífugos debido a la rotación de la Tierra.

Peso aparente [ editar ]

En muchas situaciones del mundo real, el acto de pesar puede producir un resultado que difiera del valor ideal proporcionado por la definición utilizada. Esto generalmente se conoce como el 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 balanza. [20] El peso aparente puede verse afectado de manera similar por la levitación y la suspensión mecánica. Cuando se usa la definición gravitacional de peso, el peso operacional medido por una escala de aceleración a menudo también se denomina peso aparente. [21]

Misa [ editar ]

Un objeto con masa m descansando sobre una superficie y el correspondiente diagrama de cuerpo libre del objeto que muestra las fuerzas que actúan sobre él. Observe que la cantidad de fuerza que la mesa empuja hacia arriba sobre el objeto (el vector N) es igual a la fuerza hacia abajo del peso del objeto (que se muestra aquí como mg , ya que el peso es igual a la masa del objeto multiplicada por la aceleración debida a gravedad): debido a que estas fuerzas son iguales, el objeto está en un estado de equilibrio (todas las fuerzas y momentos que actúan sobre él suman cero).

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 la fuerza con la que la fuerza de gravedad ejerce presión sobre esa materia. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones prácticas de la vida diaria, la palabra "peso" se usa cuando, estrictamente, se quiere decir "masa". [8] [22] 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 todos los días. propósitos, pesar (utilizando una balanza ) es una forma totalmente aceptable de medir la masa. Del mismo modo, un equilibriomide la masa indirectamente comparando el peso del artículo medido con el de un objeto (s) de masa conocida. Dado que el elemento medido y la masa de comparación están prácticamente en la misma ubicación, experimentando el mismo campo gravitacional , el efecto de la gravedad variable no afecta la comparación o la medición resultante.

El campo gravitacional de la Tierra no es uniforme, pero puede variar hasta en un 0,5% [23] en diferentes lugares de la Tierra (ver la gravedad de la Tierra ). Estas variaciones alteran la relación entre peso y masa, y deben tenerse en cuenta en las mediciones de peso de alta precisión que están destinadas a medir indirectamente la masa. 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 requerida ]

Esta tabla muestra la variación de la aceleración debida a la gravedad (y por lo tanto la variación del peso) en varios lugares de la superficie de la Tierra. [24]

El uso histórico de "peso" para "masa" también persiste en alguna terminología científica; por ejemplo, los términos químicos "peso atómico", "peso molecular" y "peso de la fórmula", todavía se pueden encontrar en lugar del "peso atómico preferido" . masa ", etc.

En un campo gravitacional diferente, por ejemplo, en la superficie de la Luna , un objeto puede tener un peso significativamente diferente al de la Tierra. La gravedad en la superficie de la Luna es solo una sexta parte de la fuerza 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 descendente debida a la gravedad, y por lo tanto su peso, es solo una sexta parte de lo que tendría el objeto en la Tierra. Entonces, un hombre de 180 libras de masa pesa solo alrededor de 30 libras de fuerza cuando visita la Luna.

Unidades SI [ editar ]

En la mayor parte del trabajo científico moderno, las cantidades físicas se miden en unidades SI . La unidad de peso del SI es la misma que la de la 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). [22]

En el uso comercial y cotidiano, el término "peso" se usa generalmente para significar masa, y el verbo "pesar" significa "determinar la masa de" o "tener una masa de". Usado en este sentido, la unidad SI adecuada es el kilogramo (kg). [22]

A 20 de mayo de 2019, el kilogramo, fundamental para evaluar el peso de un objeto, se redefinió en términos de la constante de Planck. La nueva definición no afecta la cantidad real de material, pero aumenta la calidad de la medición y disminuye la incertidumbre asociada con ella. [25] Antes de usar la constante de Planck, se usaba un objeto físico como estándar. El objeto, ubicado en una bóveda en Sèvres, Francia, ha fluctuado en aproximadamente 50 microgramos de su masa desde que se introdujo por primera vez en 1889. [26]En consecuencia, lo siguiente debe ser cierto. La masa, que debería ser la misma ya sea en la tierra o en la luna, por ejemplo, solo es válida en la tierra ya que necesita ser referenciada. Además, la comparación de una medición de peso con un estándar que cambia con el tiempo no puede usarse como referencia sin citar el valor real de la misma en el momento y momento en que se usó como tal. Por lo tanto, para redefinir el kilogramo, todos los Institutos Nacionales de Metrología (INM) involucrados determinaron el nuevo valor de la constante de Planck evaluando una masa que se calibró contra el IPK. [27] En esta medida, un kilogramo es igual ah / (6.62607015 × 10 ^ (- 34)) m ^ (- 2) s, lo que equivale a 1 m ^ (- 2) s. Un kilogramo sigue siendo la misma cantidad que era antes de la redefinición. [27] Pero a partir de mayo de 2019, los pesos medidos y registrados se pueden rastrear y usar como comparación para el trabajo actual y futuro.

Libra y otras unidades ajenas al SI [ editar ]

En las unidades habituales de Estados Unidos , la libra puede ser una unidad de fuerza o una unidad de masa. [28] Las unidades relacionadas que se utilizan en algunos subsistemas de unidades distintos y separados incluyen el poundal y el slug . La 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 fuerza . La babosa se define como la cantidad de masa que acelera a 1  pie / s 2 cuando se ejerce una libra de fuerza sobre ella, y es equivalente a aproximadamente 32,2 libras (masa).

El kilogramo-fuerza es una unidad de fuerza no perteneciente al SI, definida como la fuerza ejercida por una masa de un kilogramo en la gravedad terrestre estándar (igual exactamente a 9.80665 newtons). La dina es la unidad cgs de fuerza y ​​no es parte del SI, mientras que los pesos medidos en la unidad cgs de masa, el gramo, siguen siendo parte del SI.

Sensación [ editar ]

La sensación de peso es causada por la fuerza que ejercen los fluidos en el sistema vestibular , un conjunto de tubos tridimensionales en el oído interno . [ dudoso ] En realidad es la sensación de fuerza g , independientemente de si esto se debe a estar estacionario en presencia de gravedad o, si la persona está en movimiento, al resultado de cualquier otra fuerza que actúe sobre el cuerpo, como como en el caso de la aceleración o desaceleración de un ascensor, o fuerzas centrífugas al girar bruscamente.

Midiendo [ editar ]

Una báscula puente , utilizada para pesar camiones.

El peso se mide comúnmente usando 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 en un 0,5% en diferentes ubicaciones, las básculas de resorte medirán pesos ligeramente diferentes para el mismo objeto (la misma masa) en diferentes ubicaciones. Para estandarizar los pesos, las básculas siempre se calibran para leer el peso que tendría un objeto a una gravedad estándar nominal de 9.80665  m / s 2 (aprox. 32.174  pies / s 2). Sin embargo, esta calibración se realiza en fábrica. Cuando la báscula se mueve a otra ubicación de la Tierra, la fuerza de gravedad será diferente, lo que provocará un ligero error. Por lo tanto, para ser altamente precisos y legales para el comercio, las básculas de resorte deben volver a calibrarse en el lugar en el que se utilizarán.

Una balanza, por otro lado, compara el peso de un objeto desconocido en un platillo de la balanza con el peso de las masas estándar en el otro, utilizando un mecanismo de palanca : una balanza de palanca. Las masas estándar se denominan a menudo, de forma no técnica, "pesos". Dado que cualquier variación en la gravedad actuará igualmente sobre los pesos desconocidos y conocidos, un equilibrio de palanca indicará el mismo valor en cualquier lugar de la Tierra. Por lo tanto, los "pesos" de la balanza suelen estar calibrados y marcados en masa.unidades, por lo que el equilibrio de palanca mide la masa comparando la atracción de la Tierra sobre el objeto desconocido y las masas estándar en los platillos de la báscula. En ausencia de un campo gravitacional, lejos de los cuerpos planetarios (por ejemplo, el espacio), un equilibrio 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 se calibran en la fábrica para la gravedad estándar, la balanza medirá el peso estándar, es decir, lo que pesaría el objeto a la gravedad estándar, no la fuerza de gravedad local real sobre el objeto.

Si se necesita la fuerza de gravedad real sobre el objeto, esta 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). Las tablas de la aceleración gravitacional en diferentes lugares se pueden encontrar en la web.

El peso bruto es un término que se encuentra generalmente en el comercio o aplicaciones 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, descontando el peso de su envase o empaque; y la tara es el peso del embalaje solo.

Pesos relativos en la Tierra y otros cuerpos celestes [ editar ]

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. Se considera que la "superficie" significa las cimas de las nubes de los gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Para el Sol, la superficie se considera la fotosfera . Los valores de la tabla no se han reducido por el efecto centrífugo de la rotación del planeta (y las velocidades del viento en la cima 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.

Ver también [ editar ]

  • Peso corporal humano  : masa o peso de la persona
  • Peso de tara
  • ponderar la unidad inglesa

Notas [ editar ]

  1. ^ La frase "cantidad de la misma naturaleza" es una traducción literal de lafrase francesa grandeur de la même nature . Aunque se trata de una traducción autorizada, VIM 3 de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas recomienda traducir grandeurs de même nature como cantidades del mismo tipo . [14]

Referencias [ editar ]

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  8. ^ a b El estándar nacional de Canadá, CAN / CSA-Z234.1-89 Guía de práctica métrica canadiense, enero de 1989:
    • 5.7.3 Existe una confusión considerable en el uso del término "peso". En el uso comercial y diario, el término "peso" casi siempre significa masa. En ciencia y tecnología, "peso" ha significado principalmente una fuerza debida a la gravedad. En el trabajo científico y técnico, el término "peso" debe reemplazarse por el término "masa" o "fuerza", según la aplicación.
    • 5.7.4 El uso del verbo "pesar" que significa "determinar la masa de", por ejemplo, "pesé este objeto y determiné que su masa era de 5  kg", es correcto.
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