Poids – Wikipedia

La force sur une masse due à la gravité

En sciences et ingénierie, le poids d’un objet est liée à la force exercée sur lui, soit par gravité, soit par une force de réaction qui le maintient en place.(1)(2)(3)

Quelques manuels standards(4) définir le poids en tant que quantité vectorielle, la force de gravitation agissant sur l'objet. Autres(5)(6) définir le poids en tant que quantité scalaire, la magnitude de la force gravitationnelle. Autres(7) définissez-la comme la magnitude de la force de réaction exercée sur un corps par des mécanismes qui le maintiennent en place: le poids est la quantité mesurée, par exemple, par une balance à ressort. Ainsi, en état de chute libre, le poids serait nul. En ce sens de poids, les objets terrestres peuvent être sans poids: sans tenir compte de la résistance de l'air, la célèbre pomme qui tombe de l'arbre, sur le point de rencontrer le sol près d'Isaac Newton, serait sans poids.

L'unité de mesure du poids est celle de la force, qui dans le Système international d'unités (SI) est le Newton. Par exemple, un objet pesant un kilogramme pèse environ 9,8 newtons à la surface de la Terre et environ un sixième de plus que sur la Lune. Bien que le poids et la masse soient des quantités scientifiquement distinctes, les termes sont souvent confondus dans l’usage quotidien (c’est-à-dire comparer et convertir le poids de la force en livres en masse en kilogrammes et vice-versa).(8)

La théorie de la relativité selon laquelle la gravité est modélisée comme conséquence de la courbure de l’espace-temps complique encore l’élucidation des divers concepts de poids. Dans le monde de l’enseignement, un débat considérable a eu lieu pendant plus d’un demi-siècle sur la définition du poids pour leurs étudiants. La situation actuelle est la suivante: un ensemble de concepts multiples coexistent et trouvent une utilisation dans leurs divers contextes.(2)

L'histoire(modifier)

Peser le grain, de la Babur-namah(9)

La discussion sur les concepts de lourdeur (poids) et de légèreté (légèreté) remonte aux anciens philosophes grecs. Celles-ci étaient généralement considérées comme des propriétés inhérentes aux objets. Platon a décrit le poids comme la tendance naturelle des objets à rechercher leurs parents. Pour Aristote, le poids et la légèreté représentaient la tendance à rétablir l'ordre naturel des éléments de base: l'air, la terre, le feu et l'eau. Il attribue un poids absolu à la terre et une légèreté absolue au feu. Archimède considérait le poids comme une qualité opposée à la flottabilité, le conflit entre les deux déterminant si un objet coulait ou flottait. La première définition opérationnelle du poids a été donnée par Euclid, qui définissait le poids comme suit: "le poids est la lourdeur ou la légèreté d'une chose par rapport à une autre, mesurée par une balance".(2) Les équilibres opérationnels (plutôt que les définitions) ont cependant duré beaucoup plus longtemps.(dix)

Selon Aristote, le poids était la cause directe du mouvement de chute d'un objet, la vitesse de l'objet en chute étant supposée être directement proportionnelle au poids de l'objet. Les érudits du Moyen Âge ont découvert que, dans la pratique, la vitesse d'un objet en chute augmentait avec le temps, ce qui a incité à modifier le concept de poids afin de maintenir cette relation de cause à effet. Le poids a été divisé en un "poids fixe" ou pondus, qui est resté constant, et la gravité réelle ou gravitas, qui a changé lorsque l'objet est tombé. Le concept de gravitas fut finalement remplacé par l'élan de Jean Buridan, précurseur de la dynamique.(2)

La montée de la vision copernicienne sur le monde a conduit à la résurgence de l'idée platonicienne qui attire les mêmes objets que dans le contexte des corps célestes. Au 17ème siècle, Galileo a fait des progrès significatifs dans le concept de poids. Il a proposé un moyen de mesurer la différence entre le poids d’un objet en mouvement et celui d’un objet au repos. En fin de compte, il a conclu que le poids était proportionnel à la quantité de matière d'un objet et non à la vitesse de déplacement, comme supposé par la vision aristotélicienne de la physique.(2)

Newton(modifier)

L'introduction des lois du mouvement de Newton et le développement de la loi de la gravitation universelle de Newton ont conduit à un développement considérable du concept de poids. Le poids est devenu fondamentalement séparé de la masse. La masse a été identifiée comme une propriété fondamentale des objets liés à leur inertie, tandis que le poids s’identifiait à la force de gravité exercée sur un objet et dépendait donc du contexte de celui-ci. En particulier, Newton considérait que le poids était relatif à un autre objet provoquant l'attraction gravitationnelle, par ex. le poids de la terre vers le soleil.(2)

Newton considérait le temps et l'espace comme absolus. Cela lui a permis de considérer les concepts comme une vraie position et une vraie vitesse.(clarification nécessaire) Newton a également reconnu que le poids, mesuré par l'action de la pesée, était affecté par des facteurs environnementaux tels que la flottabilité. Il a considéré cela comme un faux poids induit par des conditions de mesure imparfaites, pour lesquelles il a introduit le terme poids apparent par rapport à la poids vrai défini par la gravité.(2)

Bien que la physique newtonienne établisse une distinction claire entre poids et masse, le terme poids continuait à être couramment utilisé lorsque les gens parlaient de masse. C’est ce qui a conduit la 3e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) de 1901 à déclarer officiellement poids désigne une quantité de même nature qu'un Obliger: le poids d’un corps est le produit de sa masse et de son accélération due à la pesanteur ", ce qui le distingue de la masse pour usage officiel.

Relativité(modifier)

Au 20ème siècle, les concepts newtoniens du temps et de l'espace absolus ont été remis en question par la relativité. Le principe d'équivalence d'Einstein met tous les observateurs, en mouvement ou en accélération, sur un pied d'égalité. Cela a conduit à une ambiguïté quant à ce que signifient exactement la force de gravité et le poids. Une échelle dans un ascenseur en accélération ne peut pas être distinguée d'une échelle dans un champ gravitationnel. La force et le poids gravitationnels sont ainsi devenus des quantités essentiellement dépendantes du cadre. Cela a entraîné l'abandon du concept, considéré comme superflu dans les sciences fondamentales telles que la physique et la chimie. Néanmoins, le concept reste important dans l'enseignement de la physique. Les ambiguïtés introduites par la relativité ont entraîné, à partir des années 1960, un débat important au sein de la communauté enseignante sur la définition du poids de leurs étudiants, en choisissant entre une définition nominale du poids comme force due à la gravité ou une définition opérationnelle définie par l'acte. pesée.(2)

Définitions(modifier)

Ce dragster à essence supérieure peut accélérer de zéro à 160 km / h en 0,86 seconde. Il s’agit d’une accélération horizontale de 5,3 g. Combiné à la force verticale g dans le cas stationnaire, le théorème de Pythagore donne une force dynamique de 5,4 g. C'est cette force g qui fait peser le poids du conducteur si l'on utilise la définition opérationnelle. Si l'on utilise la définition gravitationnelle, le poids du conducteur reste inchangé par le mouvement de la voiture.

Plusieurs définitions existent pour poids, qui ne sont pas tous équivalents.(3)(11)(12)(13)

Définition gravitationnelle(modifier)

La définition la plus courante du poids dans les manuels d'introduction à la physique définit le poids comme la force exercée sur un corps par la gravité.(1)(13) Ceci est souvent exprimé dans la formule W = mg, où W est le poids, m la masse de l'objet, et g accélération gravitationnelle.

En 1901, la 3e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en fit la définition officielle de poids:

Le mot poids dénote une quantité de même nature(Note 1) comme un Obliger: le poids d'un corps est le produit de sa masse et de l'accélération due à la gravité.

Résolution 2 de la 3ème Conférence générale des poids et mesures(15)(16)

Cette résolution définit le poids en tant que vecteur, car la force est une quantité vectorielle. Cependant, certains manuels prennent aussi l’importance de devenir un scalaire en définissant:

"Le poids W d'un corps est égal à la magnitude Fg de la force de gravitation sur le corps ".(17)

L'accélération gravitationnelle varie d'un endroit à l'autre. Parfois, il est simplement pris pour avoir une valeur standard de 9.80665 m / s2, ce qui donne le poids standard.(15)

La force dont la magnitude est égale à mg Newton est également connu comme le m kilogramme de poids (ce terme est abrégé en kg-poids)(18)

À gauche: une balance à ressort mesure le poids en observant à quel point l'objet pousse sur un ressort (à l'intérieur de l'appareil). Sur la Lune, un objet donnerait une lecture plus basse. A droite: une balance mesure indirectement la masse en comparant un objet à des références. Sur la Lune, un objet donnerait la même lecture, car l’objet et les références seraient tous les deux devenir plus léger.

Définition opérationnelle(modifier)

Dans la définition opérationnelle, le poids d'un objet est la force mesurée par l'opération de pesée, qui est la force qu'il exerce sur son support.(11)
Depuis, W = force descendante sur le corps par le centre de la terre, et il n'y a pas d'accélération dans le corps. Donc, il existe une force opposée et égale par le support sur le corps. En outre, il est égal à la force exercée par le corps sur son support car l'action et la réaction ont la même valeur numérique et le même sens.
Cela peut faire une différence considérable, en fonction des détails; par exemple, un objet en chute libre exerce peu ou pas de force sur son support, une situation que l’on appelle couramment l’apesanteur. Cependant, le fait d'être en chute libre n'affecte pas le poids selon la définition gravitationnelle. Par conséquent, la définition opérationnelle est parfois affinée en exigeant que l'objet soit au repos.(citation requise) Cependant, cela soulève la question de la définition du terme "au repos" (impliquer généralement d'être au repos par rapport à la Terre est implicite en utilisant la gravité standard(citation requise)). Dans la définition opérationnelle, le poids d'un objet au repos à la surface de la Terre est réduit par l'effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la Terre.

La définition opérationnelle, telle qu'elle est habituellement donnée, n'exclut pas explicitement les effets de la flottabilité, qui réduit le poids mesuré d'un objet lorsqu'il est immergé dans un fluide tel que l'air ou l'eau. En conséquence, un ballon flottant ou un objet flottant dans l'eau pourrait être considéré comme ayant un poids nul.

Définition ISO(modifier)

Dans la norme internationale ISO ISO 80000-4 (2006),(19) décrivant les grandeurs physiques de base et les unités en mécanique dans le cadre de la norme internationale ISO / IEC 80000, la définition de poids est donné comme:

Définition

m est la masse et g est l'accélération locale de la chute libre.

Remarques

  • Lorsque le référentiel est la Terre, cette quantité comprend non seulement la force gravitationnelle locale, mais également la force centrifuge locale due à la rotation de la Terre, force qui varie avec la latitude.
  • L'effet de la flottabilité atmosphérique est exclu dans le poids.
  • Dans le langage courant, le nom "poids" continue à être utilisé lorsque "masse" est utilisé, mais cette pratique est déconseillée.

    ISO 80000-4 (2006)

La définition dépend du référentiel choisi. Lorsque la trame choisie co-déplace avec l'objet en question, cette définition est donc parfaitement conforme à la définition opérationnelle.(12) Si le cadre spécifié est la surface de la Terre, le poids selon les définitions ISO et gravitationnelles ne diffère que par les effets centrifuges dus à la rotation de la Terre.

Poids apparent(modifier)

Dans de nombreuses situations réelles, le fait de peser peut produire un résultat différent de la valeur idéale fournie par la définition utilisée. Ceci est généralement appelé le poids apparent de l'objet. Un exemple courant en est l’effet de la flottabilité. Lorsqu'un objet est immergé dans un fluide, son déplacement provoque une force ascendante sur l’objet, le rendant ainsi plus léger lorsqu’il est pesé sur une balance.(20) Le poids apparent peut être affecté de la même manière par la lévitation et la suspension mécanique. Lorsque la définition gravitationnelle du poids est utilisée, le poids opérationnel mesuré par une balance accélératrice est souvent appelé poids apparent.(21)

Un objet avec masse m reposant sur une surface et sur le schéma de corps libre correspondant à l’objet, montrant les forces qui agissent sur lui. Notez que la force que la table pousse vers le haut sur l’objet (le vecteur N) est égale à la force descendante du poids de l’objet (représentée ici par mg, le poids étant égal à la masse de l’objet multipliée par l’accélération due à la pesanteur): comme ces forces sont égales, l’objet est à l’état d’équilibre (toutes les forces et tous les moments qui agissent sur lui sont nuls).

Dans les usages scientifiques modernes, le poids et la masse sont des quantités fondamentalement différentes: la masse est une propriété intrinsèque de la matière, alors que le poids est une propriété intrinsèque de la matière. Obliger cela résulte de l'action de la gravité sur la matière: il mesure la force exercée par la force de gravité sur cette matière. Cependant, dans la plupart des situations de tous les jours, le mot "poids" est utilisé lorsque, strictement, on entend "masse".(8)(22) Par exemple, la plupart des gens diraient qu’un objet "pèse un kilogramme", même si le kilogramme est une unité de masse.

La distinction entre masse et poids n’a pas d’importance importante pour de nombreuses raisons pratiques, car la force de gravité ne varie pas trop à la surface de la Terre. Dans un champ gravitationnel uniforme, la force gravitationnelle exercée sur un objet (son poids) est directement proportionnelle à sa masse. Par exemple, l’objet A pèse 10 fois plus que l’objet B, la masse de l’objet A est donc 10 fois supérieure à celle de l’objet B. Cela signifie que la masse d’un objet peut être mesurée indirectement par son poids et, par conséquent, au quotidien. peser (à l’aide d’une balance) est un moyen tout à fait acceptable de mesurer la masse. De même, une balance mesure la masse indirectement en comparant le poids de l'article mesuré à celui d'un ou plusieurs objets de masse connue. Étant donné que l'article mesuré et la masse de comparaison se trouvent pratiquement au même emplacement, ce qui entraîne le même champ de gravitation, l'effet de la variation de la gravité n'influence pas la comparaison ni la mesure résultante.

Le champ gravitationnel de la Terre n'est pas uniforme mais peut varier jusqu'à 0,5%(23) à différents endroits sur la Terre (voir la gravité de la Terre). Ces variations modifient la relation entre le poids et la masse et doivent être prises en compte dans les mesures de poids de haute précision destinées à mesurer indirectement la masse. Les balances à ressort, qui mesurent le poids local, doivent être étalonnées à l'emplacement où les objets seront utilisés pour afficher ce poids standard, afin d'être légales pour le commerce.(citation requise)

Ce tableau montre la variation de l'accélération due à la gravité (et donc à la variation de poids) à divers endroits de la surface de la Terre.(24)

L’utilisation historique de «poids» pour «masse» persiste également dans certaines terminologies scientifiques – par exemple, les termes chimiques «poids atomique», «poids moléculaire» et «poids de formule» peuvent encore être trouvés plutôt que le terme préféré «atomique». masse "etc.

Dans un champ gravitationnel différent, par exemple à la surface de la Lune, un objet peut avoir un poids sensiblement différent de celui de la Terre. La gravité à la surface de la Lune n’est qu’un sixième environ aussi forte qu’à la surface de la Terre. Une masse d'un kilogramme est toujours une masse d'un kilogramme (la masse étant une propriété intrinsèque de l'objet), mais la force exercée vers le bas par la gravité, et donc son poids, ne représente qu'un sixième de ce que l'objet aurait sur Terre. Ainsi, un homme de masse de 180 livres ne pèse que 30 livres environ lorsqu’il visite la Lune.

Unités SI(modifier)

Dans la plupart des travaux scientifiques modernes, les quantités physiques sont mesurées en unités SI. L'unité de poids SI est identique à celle de la force: le newton (N) – unité dérivée qui peut également être exprimée en unités de base du système SI en kg⋅m / s.2 (kilogrammes fois mètres par seconde au carré).(22)

En usage commercial et quotidien, le terme "poids" est généralement utilisé pour désigner la masse, et le verbe "peser" signifie "déterminer la masse de" ou "avoir une masse de". Utilisée dans ce sens, l'unité SI appropriée est le kilogramme (kg).(22)

Livre et autres unités non SI(modifier)

Aux États-Unis, la livre peut être une unité de force ou une unité de masse.(25) Les unités connexes utilisées dans certains sous-systèmes distincts d'unités comprennent le poundal et le limace. Le poundal est défini comme la force nécessaire pour accélérer un objet d'une livre Masse à 1 ft / s2, et équivaut à environ 1 / 32,2 d'un livreObliger. La limace est définie comme la quantité de masse qui accélère à 1 ft / s2 quand une livre-force est exercée sur elle, et équivaut à environ 32,2 livres (masse).

La force en kilogrammes est une unité de force non-SI, définie comme la force exercée par une masse d'un kilogramme en gravité terrestre standard (égale à 9,80665 newtons exactement). La dyne est l’unité de force cgs et ne fait pas partie du SI, tandis que les poids mesurés en unité de masse cgs, le gramme, restent une partie du SI.

Sensation(modifier)

La sensation de poids est provoquée par la force exercée par les fluides du système vestibulaire, un ensemble tridimensionnel de tubes dans l'oreille interne.(douteux ) C’est en fait la sensation de force g, qu’il s’agisse d’être immobile en présence de la gravité ou, si la personne est en mouvement, du résultat de toute autre force agissant sur le corps, comme dans le cas de accélération ou décélération d'une portance, ou forces centrifuges lors de virages brusques.

Mesure(modifier)

Le poids est généralement mesuré en utilisant l'une des deux méthodes. Une balance à ressort ou une balance hydraulique ou pneumatique mesure le poids local, la force de gravité locale sur l'objet (strictement apparent force de poids). Étant donné que la force de gravité locale peut varier jusqu'à 0,5% à différents endroits, les balances à ressort mesurent des poids légèrement différents pour le même objet (la même masse) à des endroits différents. Pour normaliser les poids, les balances sont toujours calibrées pour lire le poids qu'un objet aurait à une densité standard de 9,80665 m / s2 (environ 32,174 ft / s2). Cependant, cet étalonnage est effectué en usine. Lorsque la balance est déplacée vers un autre emplacement sur Terre, la force de gravité sera différente, ce qui provoquera une légère erreur. Donc, pour être très précis, et légal pour le commerce, les balances à ressort doivent être réétalonnées à l’emplacement où elles seront utilisées.

UNE équilibre D'autre part, compare le poids d'un objet inconnu dans un plateau au poids des masses standard dans l'autre, en utilisant un mécanisme à levier – un balancier à levier. Les masses standard sont souvent appelées, non techniquement, "poids". Etant donné que toute variation de la gravité agira de la même manière sur l’inconnu et les poids connus, un levier-balance indiquera la même valeur à n’importe quel emplacement sur Terre. Par conséquent, l'équilibre "poids" sont généralement calibrés et marqués en unités de masse, de sorte que la balance à levier mesure la masse en comparant l'attraction de la Terre sur l'objet inconnu et les masses standard dans les plateaux d'échelle. En l'absence de champ gravitationnel, loin des corps planétaires (par exemple, l'espace), une balance à levier ne fonctionnerait pas, mais sur la Lune, par exemple, elle donnerait la même lecture que sur Terre. Certaines balances peuvent être marquées en unités de poids, mais étant donné que les poids sont calibrés en usine pour la gravité standard, la balance mesurera le poids standard, c’est-à-dire le poids que l’objet pèserait à la gravité standard, et non à la force de gravité locale réelle sur l’objet.

Si la force de gravité réelle sur l'objet est nécessaire, elle peut être calculée en multipliant la masse mesurée par la balance par l'accélération due à la gravité – soit la gravité standard (travail quotidien), soit la gravité locale précise (travail de précision). Des tableaux de l'accélération gravitationnelle à différents endroits sont disponibles sur le Web.

Poids brut est un terme généralement utilisé dans les applications commerciales ou commerciales et désigne le poids total d'un produit et de son emballage. Inversement, poids net fait référence au poids du produit seul, compte tenu du poids de son récipient ou de son emballage; et tare est le poids de l'emballage seul.

Poids relatifs sur la Terre et autres corps célestes(modifier)

Le tableau ci-dessous montre les accélérations gravitationnelles comparatives à la surface du Soleil, la lune de la Terre et chacune des planètes du système solaire. Par «surface», on entend les sommets des géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Pour le Soleil, on entend par surface la photosphère. Les valeurs du tableau n'ont pas été réduites pour tenir compte de l'effet centrifuge de la rotation des planètes (et des vitesses du vent au sommet des nuages ​​pour les géantes gazeuses) et sont donc généralement similaires à la gravité réelle qui serait expérimentée près des pôles.

Voir également(modifier)

  1. ^ L'expression "quantité de même nature" est une traduction littérale de la phrase française grandeur de la même nature. Bien qu’il s’agisse d’une traduction autorisée, VIM 3 du Bureau international des poids et mesures recommande la traduction de grandeurs de même nature comme quantités du même genre.(14)

Références(modifier)

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    • 5.7.3 L'utilisation du terme "poids" est source d'une grande confusion. En usage commercial et quotidien, le terme "poids" signifie presque toujours la masse. Dans les sciences et la technologie, le "poids" était avant tout une force due à la gravité. Dans les travaux scientifiques et techniques, le terme "poids" devrait être remplacé par le terme "masse" ou "force", en fonction de l'application.
    • 5.7.4 L'utilisation du verbe "peser" qui signifie "déterminer la masse de", par exemple "j'ai pesé cet objet et déterminé que sa masse était de 5 kg" est correcte.

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