الكتلة والوزن: الفروق والمفاهيم الأساسية في علم الفيزياء

في مجال الفيزياء، يُستخدم مصطلحا “الكتلة” و”الوزن” بشكل متبادل في المحادثات اليومية، إلا أن لهما معانٍ مختلفة تمامًا.

يكمن الفرق بين الكتلة والوزن في أن الكتلة تُشير إلى كمية المادة في جسم ما، في حين يُعتبر الوزن مقياسًا لتأثير قوة الجاذبية على تلك الكتلة.

الكتلة

الكتلة تُعرَّف بأنها الصفة الأساسية للجسم، حيث تُعتبر مقياسًا عدديًا لقصوره الذاتي، أو مقدار المادة التي يحتويها الكائن.

قد تبدو تعريفات الكتلة دائرية بعض الشيء، كونها خاصية أساسية يصعب وصفها بمصطلحات أخرى، ولا يمكن تحديد جميع الكميات الميكانيكية بنحو دقيق بمفاهيم أخرى.

فيما يتعلق بالكتلة والطول والوقت، يُرمز عادةً إلى الكتلة بالحرف “m”، ووحدة قياسها في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام.

على الرغم من أن الكتلة تُعتبر صفة غير متغيرة عادةً، إلا أنها قد تتغير عند السرعات القريبة من سرعة الضوء.

مُلاحظة هامة هي أنه إذا كانت هناك كتلة لجسم ما تساوي 1 كجم على الأرض، فإن كتلة ذلك الجسم ستظل نفسها 1 كجم على القمر، على الرغم من أنه سيزن فقط سدس وزنه الأرضي.

الوزن

يُعرف الوزن بأنه القوة الناتجة عن الجاذبية المؤثرة على الجسم، ويمكن حسابه بضرب الكتلة في تسارع الجاذبية وفق المعادلة: w = mg.

في حالات السقوط الحر، حيث تعد الجاذبية القوة الوحيدة المؤثرة، يتبع الوزن قانون نيوتن الثاني.

تنطبق المعادلة w = mg في جميع الأحوال، حتى إذا كان الجسم غير متسارع.

تكون معادلة الوزن (W) مكافئة للقوة (F)، إذا كان الجسم في حالة سقوط حر تحت تأثير الجاذبية فقط.

قد يتساءل البعض: “لماذا يتم ضرب الكتلة في تسارع الجاذبية عند السقوط الحر، في حين أن الكتلة ثابتة على المنضدة؟”

تُساعد قيمة “g” في تحديد صافي قوة الجاذبية في حالات السقوط الحر، وتُعتبر هذه القوة هي الوزن الفعلي.

يمكن أيضًا اعتبار “g” مقياسًا لشدة مجال الجاذبية في نيوتن/كجم في الموقع المحدد.

يمكن التعبير عن الوزن على أنه مقياس للكتلة بالكيلوجرام مضروبًا في شدة مجال الجاذبية، التي تبلغ حوالي 9.8 نيوتن/كجم تحت الظروف القياسية.

انعدام الوزن

بينما يُحدد الوزن الفعلي للشخص بناءً على كتلته وتسارع الجاذبية، يظهر مفهوم “الوزن المدرك” أو “الوزن الفعال” عندما يكون الشخص مدعومًا بسطح مثل الأرض أو الكرسي.

عند إزالة جميع وسائل الدعم بشكل مفاجئ، يبدأ الشخص في السقوط بحرية ويشعر بـ”انعدام الوزن”.

يشير انعدام الوزن إلى حالة السقوط الحر التي لا يوجد فيها أي دعم محسوس.

يمكن تحقيق حالة انعدام الوزن بعدة طرق، وجميعها تعتمد على مبادئ فيزيائية هامة.

يوضح الرسم التالي مفهوم “انعدام الوزن” الذي تشعر به عندما تذهب “فوق الحدبة”.

تحدث ظاهرة “انعدام الوزن” عند عدم وجود قوة دعم مؤثرة على جسمك، ويكون الجسم في حالة “سقوط حر” بشكل فعال.

يتسارع الجسم نحو الأسفل بتسارع الجاذبية، وعندما لا تتلقى أي دعم جسدي، فإن ما تشعر به من وزن يعود للدعم الذي يوفره السطح أو المقعد.

يمكن أن تحدث أحاسيس مختلفة للوزن الظاهري عند ركوب الأفعوانيات أو في الطائرة، حيث يمكن أن تتسارع لأعلى أو لأسفل.

عند السير في مسار منحني عمودي، وعند تجاوز القمة، سيحدث تسارع هابط، وإذا أخذنا مثال السفينة الدوارة التي تسير في مسار معين، فإن شرط انعدام الوزن سيتحقق.

عند مساواة التسارع الهابط لمقعدك بتسارع الجاذبية، مع العلم أن مسار السفينة الدوارة جزء من دائرة، سيكون شرط انعدام الوزن مستوفيًا.

تحدث ظاهرة “انعدام الوزن” في الطائرة في أي لحظة تتسارع فيها الطائرة للأسفل بتسارع يعادل الجاذبية.

يمكن كذلك تجربة انعدام الوزن لفترات طويلة عبر توجيه مقدمة المركبة للأعلى وخلق قوة قطع مما يجعلها تسير في مسار باليستي.

المسار الباليستي هو النوع الشائع الذي نلاحظه عند رمي حجر أو كرة بيسبول، مع تجاهل تأثير احتكاك الهواء.

في كل نقطة على المسار، تظل العجلة مساوية لـ”g” نحو الأسفل بسبب عدم وجود دعم، وقد أُجريت العديد من التجارب في هذا المجال.

يتم استخدام مثل هذه المسارات الباليستية للتدريب على المهام المدارية التي تشعر خلالها بالانعدام الكامل للوزن.

وحدة قياس الكتلة والوزن

الكيلوغرام هو وحدة الكتلة الأساسية في النظام الدولي للوحدات، وهي الوحدة القياسية المستخدمة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم.

أما وحدة القوة والوزن ذات الصلة بالنظام الدولي للوحدات فهي النيوتن.

تكون قوة وزن كيلوغرام واحد حوالي 9.8 نيوتن تحت الظروف القياسية على سطح الأرض.

من جهة أخرى، يتم استخدام وحدة “الباوند” كقياس للقوة (وبالتالي الوزن) في الوحدات الأمريكية الشائعة.

تعتبر وحدة الباوند مناسبة للتجارة، لكنها تؤدي إلى قياسات غير مناسبة بسبب قيودها على وحدات الكتلة، التي تُعرف أحيانًا باسم “سبيكة”.

لذا، يُفضل استخدام وحدات النظام الدولي في جميع الأعمال العلمية.

تابع أيضًا:

مقارنة بين الكتلة والوزن

عند المقارنة بين الكتلة والوزن في حالة الثبات على سطح الأرض، نجد أن القيم متساوية تقريبًا.

لكن إذا قمنا بتغيير الموقع بالنسبة للجاذبية، تظل الكتلة ثابتة بينما يتغير الوزن.

على سبيل المثال، تظل كتلة جسمك ثابتة، لكن وزنك سيختلف على القمر مقارنةً بالأرض.

وفيما يلي بعض النقاط الهامة لتوضيح الفرق بين الكتلة والوزن:

• الكتلة خاصية أساسية للمادة تبقى ثابتة في جميع الأماكن، في حين يعتمد الوزن على قوة الجاذبية المؤثرة عليه.
  • يتغير الوزن مع تغير الجاذبية بتزايد أو نقصان.
• لا يمكن أن تساوي الكتلة صفرًا، بينما يمكن أن يكون الوزن صفراً إذا لم تؤثر الجاذبية على الجسم كما هو الحال في الفضاء.
• تظل الكتلة ثابتة بغض النظر عن الموقع، بينما يتغير الوزن حسب موقع الجسم.
• الكتلة كمية عددية لها حجم، بينما الوزن يعتبر كمية متجهة لها حجم وموجه نحو مركز الأرض أو بئر جاذبية أخرى.
• يمكن قياس الكتلة باستخدام ميزان عادي، بينما يتم قياس الوزن بواسطة ميزان زنبركي.
• تقاس الكتلة عادةً بالجرام والكيلوجرام، بينما يُقاس الوزن عادةً بوحدة نيوتن، وهي وحدة قياس القوة.

ما هو وزن الكتلة لشخص على الكواكب الأخرى؟

بينما لا تتغير كتلة الشخص بغض النظر عن موقعه في النظام الشمسي، فإن التسارع الناتج عن الجاذبية والوزن يختلفان بشكل كبير.

يعتمد حساب الجاذبية في الأجسام الأخرى على كتلها فقط، كما هو الحال على الأرض.

على سبيل المثال، يمكن أن يكون وزنك أقل قليلاً على قمة جبل مقارنةً بمستوى سطح البحر.

ويكون التأثير أكثر وضوحًا بالنسبة للأجسام الكبيرة مثل كوكب المشتري، حيث جاذبيته أكبر بـ 316 مرة من جاذبية الأرض.

لكن وزنك لن يكون 316 مرة لأن “سطحه” بعيد جدًا عن مركز الجاذبية.

ولحساب وزنك على كوكب آخر، يمكنك ببساطة ضرب كتلتك في الرقم المناسب.

على سبيل المثال:

شخص يصل وزنه إلى 150 رطلاً سيبلغ وزنه 396 رطلاً على كوكب المشتري، مما يعني أنه أكثر بـ2.64 مرة من وزنه على الأرض.

تابع أيضًا: