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Articulo de referencia

Peso

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En ciencia e ingeniería , el peso de un objeto es una magnitud asociada a la fuerza gravitatoria ejercida sobre él por otros objetos de su entorno, aunque existe cierta variación y debate en cuanto a su definición exacta. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Algunos libros de texto estándar [ 4 ] definen el peso como una magnitud vectorial , la fuerza gravitatoria que actúa sobre el objeto. Otros [ 5 ] [ 6 ] lo definen como una magnitud escalar, la magnitud de la fuerza gravitatoria. Otros más [ 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 magnitud que se mide, por ejemplo, con una balanza de resorte. Así, en estado de caída libre , el peso sería cero. En este sentido del peso, los objetos terrestres pueden ser ingrávidos: por lo tanto, si se ignora la resistencia del aire , se podría decir que la legendaria manzana que cayó del árbol [ 8 ] , en su camino hacia el suelo cerca de Isaac Newton , era ingrávida.

La unidad de medida del peso es la de la fuerza , que en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el newton . [ 1 ] 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 magnitudes científicamente distintas, a menudo se confunden en el uso cotidiano (por ejemplo, al comparar y convertir la fuerza en libras a masa en kilogramos y viceversa). [ 9 ]

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 una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo . En la comunidad docente, ha existido un considerable debate durante más de medio siglo sobre cómo definir el peso para sus estudiantes. La situación actual es que coexisten múltiples conjuntos de conceptos que se utilizan en diversos contextos. [ 2 ]

Historia

El debate sobre los conceptos de pesadez (peso) y ligereza (levedad) se remonta a los antiguos filósofos griegos . Estos se consideraban, por lo general, propiedades inherentes de los objetos. Platón describió el peso como la tendencia natural de los objetos a buscar a sus semejantes. 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 ligereza absoluta al fuego. Arquímedes veía el peso como una cualidad opuesta a la flotabilidad , y el conflicto entre ambas determinaba si un objeto se hundía o flotaba. La primera definición operativa de peso la dio Euclides , quien lo definió como: «la pesadez o ligereza de una cosa, comparada con otra, medida con una balanza». [ 2 ] Sin embargo, las balanzas operativas (en lugar de las definiciones) existían desde mucho antes. [ 10 ]

Según Aristóteles, el peso era la causa directa del movimiento de caída de un objeto, y se suponía que la velocidad del objeto en caída era directamente proporcional a su peso. Cuando los eruditos medievales descubrieron que, en la práctica, la velocidad de un objeto en caída aumentaba con el tiempo, esto impulsó un cambio en el concepto de peso para mantener esta relación de causa y efecto. El peso se dividió en un «peso estático» o pondus , que permanecía constante, y la gravedad o gravitas , que cambiaba a medida que el objeto caía. El concepto de gravitas fue finalmente reemplazado por el impetus de Jean Buridan , precursor del momento lineal . [ 2 ]

El auge de la visión copernicana del mundo propició el resurgimiento de la idea platónica de que los objetos iguales se atraen, pero en el contexto de los cuerpos celestes. En el siglo XVII, Galileo realizó importantes avances en el concepto de peso. Propuso un método para medir la diferencia entre el peso de un objeto en movimiento y el de un objeto en reposo. Finalmente, 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 ]

Newton

La introducción de las leyes del movimiento de Newton y el desarrollo de su ley de gravitación universal propiciaron un considerable avance en el 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 que actúa sobre un objeto y, por lo tanto, dependía del contexto del mismo. En particular, Newton consideraba que el peso era relativo a otro objeto que causaba la atracción gravitatoria, por ejemplo, el peso de la Tierra hacia el Sol. [ 2 ]

Newton consideraba el tiempo y el espacio como absolutos. Esto le permitió concebir conceptos como la posición verdadera y la velocidad verdadera. Newton también reconoció que el peso, medido mediante la acción de pesar, se veía afectado por factores ambientales como la flotabilidad. Consideraba este peso como un falso peso inducido por condiciones de medición imperfectas, para lo cual introdujo el término peso aparente en comparación con el peso verdadero definido por la gravedad. [ 2 ]

Aunque la física newtoniana distinguía claramente entre peso y masa, el término peso seguía utilizándose comúnmente para referirse a la masa. Esto llevó a la Tercera Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM, por sus siglas en inglés) de 1901 a declarar oficialmente: «La palabra peso denota una magnitud 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», diferenciándolo así de la masa para su 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 situó a todos los observadores, en movimiento o acelerando, en igualdad de condiciones. Esto generó ambigüedad respecto al significado exacto de la fuerza de gravedad y el peso. Una báscula en un ascensor acelerado no se puede distinguir de una báscula en un campo gravitatorio. La fuerza gravitatoria y el peso se convirtieron así en magnitudes esencialmente dependientes del sistema de referencia. Esto impulsó el abandono del concepto por considerarse superfluo en 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 como la fuerza debida a la gravedad o una definición operacional definida por el acto de pesar. [ 2 ]

Definiciones

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

Definición gravitacional

La definición más común de peso que se encuentra en los libros de texto de física introductoria define el peso como la fuerza ejercida sobre un cuerpo por la gravedad. [ 1 ] [ 13 ] Esto se suele expresar en la fórmula W = mg , donde W es el peso, m la masa del objeto y g la aceleración gravitatoria .

En 1901, la 3ª 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 y la aceleración debida a la gravedad.

— Resolución 2 de la 3.ª Conferencia General de Pesas y Medidas [ 15 ] [ 16 ]

Esta resolución define el peso como un vector, ya que la fuerza es una magnitud vectorial. Sin embargo, algunos libros de texto también consideran el peso como un escalar al definirlo de la siguiente manera:

El peso W de un cuerpo es igual a la magnitud F g de la fuerza gravitatoria que actúa sobre él. [ 17 ]

La aceleración gravitatoria varía de un lugar a otro. A veces, simplemente se toma un valor estándar de 9,80665 m/s² , que da el peso estándar . [ 15 ]

La fuerza cuya magnitud es igual a mg newtons también se conoce como peso en kilogramos m (término que se abrevia como kg-wt ) [ 18 ].

Definición operacional

Medición del peso en relación con la masa.
Izquierda: Una balanza de resorte mide el peso observando la fuerza que ejerce un objeto sobre un resorte (dentro del dispositivo). En la Luna, un objeto daría una lectura menor. Derecha: Una balanza de precisión mide la masa indirectamente, comparando un objeto con referencias. En la Luna, un objeto daría la misma lectura, ya que tanto el objeto como las referencias serían más ligeros.

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 . [ 11 ] Dado que W es la fuerza descendente sobre el cuerpo ejercida 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. Es igual a la fuerza ejercida por 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, una 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 operacional a veces se refina exigiendo que el objeto esté en reposo. Sin embargo, esto plantea el problema de definir "en reposo" (generalmente estar en reposo con respecto a la Tierra se implica al usar la gravedad estándar ). En la definición operativa, el peso de un objeto en reposo sobre la superficie de la Tierra se ve disminuido por el efecto de la fuerza centrífuga debida a la rotación de la Tierra .

La definición operativa, tal 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. Por consiguiente, se podría decir que un globo o un objeto que flota en el agua tiene peso cero.

Definición ISO

En la norma internacional ISO 80000-4:2006, [ 19 ] que describe las magnitudes físicas básicas y las unidades en mecánica como parte de la norma internacional ISO/IEC 80000 , la definición de peso se da como:

Definición

Fgramo=metrogramo{\displaystyle F_{g}=mg\,},
donde m es la masa y g es la aceleración local de la caída libre.

Observaciones

  • Cuando el sistema de referencia es la Tierra, esta magnitud comprende no solo la fuerza gravitatoria local, sino también la fuerza centrífuga local debida a la rotación de la Tierra, una fuerza que varía con la latitud.
  • En el peso se excluye el efecto de la flotabilidad atmosférica.
  • En el lenguaje común, se sigue utilizando el término "peso" en lugar de "masa", pero esta práctica está en desuso.

— ISO 80000-4 (2006)

La definición depende del sistema de referencia elegido . Cuando el sistema elegido se mueve junto con el objeto en cuestión, esta definición coincide precisamente con la definición operacional. [ 12 ] Si el sistema especificado es la superficie de la Tierra, el peso según las definiciones ISO y gravitacional difiere únicamente por los efectos centrífugos debidos a la rotación de la Tierra.

Peso aparente

En muchas situaciones reales, el acto de pesar puede producir un resultado que difiere del valor ideal proporcionado por la definición utilizada. Esto se suele denominar peso aparente del objeto. Por ejemplo, cuando se utiliza la definición gravitacional de peso, el peso operacional medido por una báscula acelerada también se suele denominar peso aparente. [ 20 ] Un ejemplo común de esto es el efecto de la flotabilidad : cuando un objeto se sumerge en un fluido , el desplazamiento del fluido provoca una fuerza ascendente sobre el objeto, haciéndolo parecer más ligero al pesarlo en una báscula. [ 21 ] El peso aparente puede verse afectado de manera similar por la levitación y la suspensión mecánica.

Masa

Un objeto de masa m que reposa sobre una superficie y el diagrama de cuerpo libre correspondiente que muestra las fuerzas que actúan sobre él. La magnitud de la fuerza que la mesa ejerce hacia arriba sobre el objeto (el vector N ) es igual a la fuerza descendente debida al peso del objeto (representada aquí como mg , ya que el peso es igual a la masa del objeto multiplicada por la aceleración de la gravedad): debido a que estas fuerzas son iguales, el objeto se encuentra en equilibrio ( la suma de todas las fuerzas y momentos que actúan sobre él es cero).

En el uso científico moderno, peso y masa son magnitudes 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 intensidad con la que la gravedad atrae a esa materia. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones prácticas cotidianas se usa la palabra "peso" cuando, estrictamente hablando, se quiere decir "masa". [ 9 ] [ 22 ] 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 es irrelevante para muchos fines prácticos, ya que la fuerza de la gravedad no varía demasiado en la superficie terrestre. En un campo gravitatorio uniforme, la fuerza gravitatoria que actúa 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 mediante su peso, por lo que, para fines cotidianos, pesar (con una balanza ) es una forma totalmente aceptable de medir la masa. De manera similar, una balanza mide la masa indirectamente comparando el peso del objeto medido con el de uno o más objetos de masa conocida. Dado que el objeto medido y la masa de comparación se encuentran prácticamente en la misma ubicación, experimentando así el mismo campo gravitatorio , el efecto de la gravedad variable no afecta la comparación ni la medición resultante.

El campo gravitatorio terrestre no es uniforme, sino que puede variar hasta en un 0,5 % [ 23 ] en diferentes puntos de la Tierra (véase gravedad terrestre ). Estas variaciones alteran la relación entre peso y masa, y deben tenerse en cuenta en las mediciones de peso de alta precisión destinadas a medir la masa indirectamente. Las balanzas de resorte , que miden el peso local, deben calibrarse en el lugar donde se utilizarán los objetos para mostrar este peso estándar, para que sean legales para su comercialización.

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 terrestre. [ 24 ]

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 término preferido " masa atómica ", etc.

En un campo gravitatorio diferente, por ejemplo, en la superficie de la Luna , un objeto puede tener un peso significativamente distinto al que tendría en la Tierra. La gravedad en la superficie lunar es aproximadamente una sexta parte de la que hay en 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 la que tendría el objeto en la Tierra. Así, un hombre de 82 kilogramos (180 libras) pesa solo unos 14 kilogramos (30 libras-fuerza) al visitar la Luna.

Unidades del SI

En la mayoría de los trabajos científicos modernos, las magnitudes físicas se miden en unidades del SI . La unidad del SI para el peso es la misma que para la fuerza: el newton (N), una unidad derivada que también puede expresarse en unidades base del SI como kg⋅m/s² ( kilogramos por metros por segundo al cuadrado). [ 22 ]

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

Libra y otras unidades no pertenecientes al SI.

En las unidades de medida habituales de los Estados Unidos , la libra puede ser una unidad de fuerza o una unidad de masa. [ 25 ] Las unidades relacionadas que se utilizan en algunos subsistemas de unidades distintos y separados incluyen el poundal y el slug . El poundal se define como la fuerza necesaria para acelerar un objeto de una libra de masa 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 sobre ella una libra-fuerza, 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 (equivalente a 9,80665 newtons). La dina es la unidad de fuerza del sistema cgs y no forma parte del SI, mientras que las masas medidas en el gramo, la unidad de masa cgs, sí forman parte del SI.

Sensación

La sensación de peso se debe a la fuerza que ejercen los fluidos del sistema vestibular , un conjunto tridimensional de conductos en el oído interno . En realidad, se trata de la sensación de fuerza G , independientemente de si esta se debe a estar inmóvil en presencia de la gravedad o, si la persona está en movimiento, al resultado de otras fuerzas que actúan sobre el cuerpo, como la aceleración o desaceleración de un ascensor o las fuerzas centrífugas al girar bruscamente.

Medición

Una báscula de pesaje , utilizada para pesar camiones.

El peso se suele medir mediante dos métodos. Una báscula de resorte , hidráulica o neumática mide el peso local, es decir, la fuerza de gravedad local sobre el objeto ( fuerza de peso 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 distintas ubicaciones. Para estandarizar los pesos, las básculas se calibran siempre para indicar el peso que tendría un objeto con una gravedad estándar nominal de 9,80665  m/s² ( aproximadamente 32,174  ft/s² ) . Sin embargo, esta calibración se realiza en fábrica. Cuando la báscula se traslada a otro lugar de la Tierra, la fuerza de gravedad será diferente, lo que provocará un pequeño error. Por lo tanto, para garantizar una alta precisión y cumplir con la normativa comercial, las básculas de resorte deben recalibrarse en el lugar donde se vayan a utilizar.

Una balanza , por otro lado, compara el peso de un objeto desconocido en un platillo con el peso de masas estándar en el otro, mediante un mecanismo de palanca . Estas masas estándar se denominan comúnmente "pesas". Dado que cualquier variación en la gravedad actúa por igual sobre las masas conocidas y desconocidas, una balanza de palanca indicará el mismo valor en cualquier lugar de la Tierra. Por lo tanto, las "pesas" de las balanzas suelen estar calibradas y marcadas en unidades de masa , de modo que la balanza de palanca mide la masa comparando la atracción gravitatoria de la Tierra sobre el objeto desconocido con las masas estándar en los platillos. En ausencia de un campo gravitatorio, lejos de los cuerpos planetarios (por ejemplo, en 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 se calibran en fábrica para la gravedad estándar, la balanza medirá el peso estándar, es decir, lo que pesaría el objeto bajo gravedad estándar, no la fuerza gravitatoria local real sobre el objeto.

Si se necesita conocer la fuerza de gravedad real que actúa 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 trabajos cotidianos) o la gravedad local precisa (para trabajos de precisión). En internet se pueden encontrar tablas de aceleración gravitatoria en diferentes lugares.

El peso bruto es un término que se utiliza comúnmente en el comercio y se refiere al peso total de un producto y su embalaje. Por el contrario, el peso neto se refiere al peso del producto en sí, sin incluir el peso del envase o embalaje; y la tara es el peso del embalaje únicamente.

Pesos relativos en la Tierra y otros cuerpos celestes

La tabla que aparece a continuación muestra las aceleraciones gravitatorias comparativas en la superficie del Sol, la Luna y cada uno de los planetas del Sistema Solar . Se entiende por "superficie" la parte superior de las nubes de los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). En el caso del Sol, se entiende por superficie la fotosfera . Los valores de la tabla no se han ajustado para tener en cuenta el efecto centrífugo de la rotación planetaria (ni la velocidad del viento en la parte superior de las nubes de los planetas gigantes) y, por lo tanto, en general, son similares a la gravedad real que se experimentaría cerca de los polos.

Véase también

Notas

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

Referencias

  1. 1 2 3 Richard C. Morrison (1999). "Peso y gravedad: la necesidad de definiciones consistentes". The Physics Teacher . 37 (1): 51. Bibcode : 1999PhTea..37...51M . doi : 10.1119/1.880152 .
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Igal Galili (2001). "Peso versus fuerza gravitacional: perspectivas históricas y educativas". Revista Internacional de Educación Científica . 23 (10): 1073. Bibcode : 2001IJSEd..23.1073G . doi : 10.1080/09500690110038585 . S2CID 11110675 . 
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  4. ↑ Knight, Randall D. (2004). Física para científicos e ingenieros: un enfoque estratégico . San Francisco, EE. UU.: Addison–Wesley. págs. 100–101 . ISBN  0-8053-8960-1.
  5. ↑ Bauer, Wolfgang; Westfall, Gary D. (2011). Física universitaria con física moderna . Nueva York: McGraw Hill. pág. 103. ISBN  978-0-07-336794-1.
  6. ↑ Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2008). Física para científicos e ingenieros con física moderna . EE. UU.: Thompson. pág. 106. ISBN  978-0-495-11245-7.
  7. ↑ Hewitt, Paul G. (2001). Física conceptual . EE. UU.: Addison–Wesley. pp . 159. ISBN  0-321-05202-1.
  8. ↑ J., Tom (22 de octubre de 2007). "Peso, objetos en caída y componentes vectoriales" . Física Van Illinois . Consultado el 28 de junio de 2026 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: estado de la URL ( enlace )
  9. 1 2 Norma Nacional de Canadá, CAN/CSA-Z234.1-89 Guía de Práctica Métrica Canadiense, enero de 1989:
    • 5.7.3 Existe considerable confusión en el uso del término «peso». En el ámbito comercial y cotidiano, «peso» casi siempre se refiere a la masa. En ciencia y tecnología, «peso» se ha referido principalmente a la fuerza debida a la gravedad. En el trabajo científico y técnico, el término «peso» debería sustituirse por «masa» o «fuerza», según la aplicación.
    • 5.7.4 El uso del verbo "pesar" con el significado de "determinar la masa de", por ejemplo, "Pesé este objeto y determiné que su masa era de 5  kg", es correcto.
  10. ↑ http://www.averyweigh-tronix.com/museum Archivado el 28 de febrero de 2013 en Wayback Machine, consultado el 29 de marzo de 2013.
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  12. 1 2 A. P. French (1995). "Sobre la ingravidez". American Journal of Physics . 63 (2): 105– 106. Bibcode : 1995AmJPh..63..105F . doi : 10.1119/1.17990 .
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  26. ↑ Este valor excluye el ajuste por fuerza centrífuga debido a la rotación de la Tierra y, por lo tanto, es mayor que elvalor de 9,80665  m/s² de gravedad estándar .