Peso

En ciencia e ingeniería, el peso de un objeto es la fuerza que actúa sobre el objeto debido a la gravedad.

Algunos libros de texto estándar definen el peso como una cantidad vectorial, la fuerza gravitacional que actúa sobre el objeto. Otros definen el peso como una cantidad escalar, la magnitud de la fuerza gravitacional. Sin embargo, otros 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 balanza de resorte. Así, en 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 que cae del árbol, en su camino hacia el suelo cerca de Isaac Newton, sería ingrávida.

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 (por ejemplo, comparar y convertir fuerza de peso en libras a masa en kilogramos y viceversa).

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 existe un debate considerable desde hace más de medio siglo sobre cómo definir el peso para sus alumnos. La situación actual es que un conjunto múltiple de conceptos coexisten y encuentran uso en sus diversos contextos.

Historia

Antiguos pesos oficiales griegos de bronce que datan de alrededor del siglo VI a.C., exhibidos en el antiguo Museo Agora en Atenas, ubicado en la Stoa de Attalus.

Grano pesado, del Babur-namah

La discusión de los conceptos de pesadez (peso) y ligereza (levedad) se remonta a los antiguos filósofos griegos. Estos fueron vistos típicamente como 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 levedad representaban la tendencia a restaurar el orden natural de los elementos básicos: aire, tierra, fuego y agua. Atribuyó peso absoluto a la tierra y 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 Euclides, quien definió el peso como: "la pesadez o ligereza de una cosa, comparada con otra, medida por una balanza". Sin embargo, los balances operativos (en lugar de las definiciones) habían existido por mucho más tiempo.

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 fijo" o pondus, que permaneció constante, y la gravedad real o gravitas, que cambiaba a medida que caía el objeto. El concepto de gravitas finalmente fue reemplazado por el ímpetu de Jean Buridan, un precursor del impulso.

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 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 del movimiento como suponía la visión aristotélica de la física.

Newton

La introducción de las leyes de 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 volvió fundamentalmente separado 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 la gravedad sobre un objeto y, por lo tanto, dependía del contexto del objeto. En particular, Newton consideró que el peso es relativo a otro objeto que causa la atracción gravitacional, p. el peso de la Tierra hacia el Sol.

Newton consideraba que el tiempo y el espacio eran absolutos. Esto le permitió considerar conceptos como posición verdadera y velocidad verdadera. Newton también reconoció que el peso medido por la acción de pesar se ve 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 real definido por la gravedad.

Aunque la física newtoniana hizo una distinción clara entre peso y masa, el término peso siguió usándose comúnmente cuando las personas se referían a masa. Esto llevó a la 3.ª Conferencia General sobre Pesos 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, lo que lo distingue de la masa para el uso oficial.

Relatividad

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 condujo a una ambigüedad en cuanto a qué se entiende exactamente por la fuerza de la gravedad y el peso. Una báscula en un ascensor en aceleración no se puede distinguir de una báscula en un campo gravitatorio. La fuerza gravitatoria y el peso se convirtieron así en cantidades esencialmente dependientes del marco. Esto provocó el abandono del concepto como 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 alumnos, eligiendo entre una definición nominal de peso como la fuerza debida a la gravedad o una definición operativa definida por el acto de peso.

Definiciones

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

Existen varias definiciones para peso, y no todas son equivalentes.

Definición gravitacional

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. 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 3.ª 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 que un fuerza: el peso de un cuerpo es el producto de su masa y la aceleración debido a la gravedad."

—Resolución 2 de la Tercera Conferencia General sobre Pesos y Medidas

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

"El peso W de un cuerpo es igual a la magnitud F_g de la fuerza gravitacional en el cuerpo."

La aceleración gravitatoria varía de un lugar a otro. A veces, simplemente se considera que tiene un valor estándar de 9,80665 m/s², lo que da el peso estándar.

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

Peso de medición versus masa

Izquierda: Una escala de primavera mide peso, viendo cuánto empuja el objeto en una primavera (en el lado del dispositivo). En la Luna, un objeto daría una lectura más baja. Bien. Una escala de equilibrio mide indirectamente la masa, comparando un objeto con las referencias. En la Luna, un objeto daría la misma lectura, porque el objeto y las referencias serían ambos Más ligero.

Definición operativa

En la definición operacional, el peso de un objeto es la fuerza medida por la operación de pesarlo, que es la fuerza que ejerce sobre su soporte. Como W es la fuerza hacia abajo ejercida sobre el cuerpo por el centro de la tierra y no hay aceleración en el cuerpo, existe una fuerza opuesta e igual ejercida por el soporte 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 comúnmente se conoce como ingravidez. Sin embargo, estar en caída libre no afecta el peso según la definición gravitatoria. Por lo tanto, la definición operativa a veces se refina al requerir que el objeto esté en reposo. Sin embargo, esto plantea la cuestión de definir "en reposo" (Por lo general, estar en reposo con respecto a la Tierra está implícito al usar la gravedad estándar). 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.

Definición ISO

En la norma internacional ISO ISO 80000-4:2006, 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

${displaystyle F_{g}=mg,}$,

Donde m es masa y g es la aceleración local de caída libre.

Observaciones

• Cuando el marco de referencia es la Tierra, esta cantidad comprende no sólo la fuerza gravitatoria local, sino también la fuerza centrífuga local debido a la rotación de la Tierra, una fuerza que varía con latitud.
• El efecto de la flotabilidad atmosférica está excluido en el peso.
• En la parlanza común, el nombre "peso" sigue siendo utilizado donde se quiere "masa", pero esta práctica es deprecatada.

—ISO 80000-4 (2006)

La definición depende del marco de referencia elegido. Cuando el marco elegido se mueve junto con el objeto en cuestión, esta definición concuerda precisamente con la definición operativa. 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

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 generalmente se conoce como el peso aparente del objeto. Un ejemplo común de esto es el efecto de la flotabilidad, cuando un objeto se sumerge en un fluido, el desplazamiento del fluido causará una fuerza hacia arriba sobre el objeto, haciéndolo parecer más liviano cuando se pesa en una balanza. 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 por una escala de aceleración a menudo también se denomina peso aparente.

Masa

Un objeto con masa m descansando en una superficie y el correspondiente diagrama de cuerpo libre del objeto que muestra las fuerzas que actúan en ella. Observe que la cantidad de fuerza que la tabla está empujando hacia arriba en el objeto (el vector N) es igual a la fuerza descendente del peso del objeto (que aparece aquí como mg, ya que el peso es igual a la masa del objeto multiplicada por la aceleración debido a la gravedad): porque estas fuerzas son iguales, el objeto está en un estado de equilibrio (todas las fuerzas y momentos que actúan en él suma a 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 qué tan fuerte la fuerza de la gravedad atrae esa materia. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones prácticas cotidianas, la palabra "peso" se utiliza cuando, estrictamente, "masa" se significa. Por ejemplo, la mayoría de la gente diría que un objeto "pesa un kilogramo", aunque el kilogramo sea 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 que 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 por lo tanto, para fines cotidianos, pesar (usar una balanza) es una forma totalmente aceptable de medir la masa. De manera similar, una balanza mide 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, por lo que experimentan el mismo campo gravitatorio, el efecto de la gravedad variable no afecta la comparación ni la medición resultante.

El campo gravitatorio de la Tierra no es uniforme, pero puede variar hasta en un 0,5 % en diferentes lugares de la Tierra (consulte 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 pretenden 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.

Esta tabla muestra la variación de la aceleración debido a la gravedad (y, por lo tanto, la variación del peso) en varios lugares de la superficie de la Tierra.

El uso histórico de "peso" para "masa" también persiste en alguna terminología científica; por ejemplo, los términos químicos "peso atómico", "peso molecular" y "peso fórmula", todavía se pueden encontrar en lugar de la "masa atómica" preferida, 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 fuerte que hay en 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-fuerza cuando visita la Luna.

Unidades SI

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 SI básicas como kg⋅m/s² (kilogramos por metros por segundo al cuadrado).

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

A partir del 20 de mayo de 2019, el kilogramo, que es esencial para evaluar el peso de un objeto, se ha redefinido en términos de la constante de Planck. La nueva definición no afecta la cantidad real del material, pero aumenta la calidad de la medición y disminuye la incertidumbre asociada con ella. 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. En consecuencia, lo siguiente debe ser cierto. La masa, que debería ser la misma en la tierra o en la luna por ejemplo, solo es válida en la tierra ya que hay que referenciarla. Además, comparar una medida 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 (NMI) involucrados determinaron el nuevo valor de la constante de Planck al evaluar una masa que se calibró contra el IPK. En este sentido, un kilogramo es igual a h/(6,62607015×10^(-34)) m^(-2) s, que equivale a 1 m^(-2) s. Un kilogramo se ha mantenido en la misma cantidad que era antes de la redefinición. Pero a partir de mayo de 2019, los pesos medidos y registrados se pueden rastrear y utilizar como comparación para el trabajo actual y futuro.

Libra y otras unidades no pertenecientes al SI

En las unidades tradicionales de los Estados Unidos, la libra puede ser una unidad de fuerza o una unidad de masa. Las unidades relacionadas utilizadas en algunos subsistemas de unidades distintos y separados incluyen el poundal y la slug. El poundal se define como la fuerza necesaria para acelerar un objeto de masa de una libra a 1 ft/s², y es equivalente a aproximadamente 1/32,2 de una libra-fuerza. El slug se define como la cantidad de masa que acelera a 1 ft/s² cuando se ejerce una libra-fuerza sobre él, y es equivalente a alrededor de 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 estándar de la Tierra (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.

Sensación

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

Medición

Un puente de pesas, utilizado para camiones de pesaje

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 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/s² (aprox. 32,174 ft/s²). Sin embargo, esta calibración se realiza en fábrica. Cuando la báscula se mueve a otro lugar de la Tierra, la fuerza de la gravedad será diferente, lo que provocará un ligero error. Por lo tanto, para que sean altamente precisas y legales para el comercio, las balanzas 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 masas estándar en el otro, utilizando un mecanismo de palanca: una balanza de palanca. Las masas estándar a menudo se denominan, de manera no técnica, "pesos". 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, equilibre los "pesos" generalmente están calibrados y marcados 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 escala. En ausencia de un campo gravitatorio, 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 dado que las pesas se calibran en la fábrica para la gravedad estándar, la balanza medirá el peso estándar, es decir, lo que pesaría el objeto con la gravedad estándar, no la fuerza de gravedad local real sobre el objeto.

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

Peso bruto es un término que generalmente se encuentra en el comercio o aplicaciones comerciales y se refiere al peso total de un producto y su embalaje. Por el contrario, peso neto se refiere al peso del producto solo, descontado el peso de su envase o embalaje; y peso de tara es el peso del embalaje solo.

Pesos relativos en la Tierra y otros cuerpos celestes

La siguiente tabla muestra aceleraciones gravitatorias comparativas en la superficie del Sol, la luna de la Tierra y cada uno de los planetas del sistema solar. La “superficie” se entiende como las cimas de las nubes de los gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Para el Sol, la superficie se entiende como 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 parte superior 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.