Poids

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Cette page concerne le concept physique. En droit, commerce et usage familier poids peut également se référer à la masse. Pour d'autres utilisations voir le poids (désambiguïsation).
Poids
Une balance à ressort mesure le poids d'un objet.
Symboles communs
Unité SI Newton (N)
Autres unités
force de frappe (lbf)
Dans les unités de base SI kg⋅m⋅s−2
Extensif? Oui
Intensif? Non
Conservé? Non
Dérivations de
autres quantités
Dimension

En science et en ingénierie, le poids d'un objet est lié à la quantité deforce agissant sur l'objet, soit par gravité, soit par une force de réaction qui le maintient en place.[1][2][3]

Quelques manuels standards[4] définir le poids comme une quantité de vecteur, la force gravitationnelle agissant sur l'objet. Autres[5][6] définir le poids comme une quantité scalaire, l'ampleur de la force gravitationnelle. Autres[7] définissez-le comme l'ampleur 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, dans un état de chute libre, le poids serait nul. Dans ce sens du poids, les objets terrestres peuvent être sans poids: en ignorant la résistance de l'air, la fameuse pomme qui tombe de l'arbre, en route pour rejoindre le sol près d'Isaac Newton, serait en apesanteur.

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 d'une masse d'un kilogramme a un poids d'environ 9,8 newtons à la surface de la Terre et environ un sixième de plus sur la Lune. Bien que le poids et la masse soient des quantités scientifiquement distinctes, les termes sont souvent confondus les uns avec les autres dans une utilisation quotidienne (c'est-à-dire en comparant et en convertissant le poids en livres en masse en kilogrammes et vice versa).[8]

La théorie de la relativité selon laquelle la gravité est modélisée comme une conséquence de la courbure de l'espace-temps complique encore la compréhension des divers concepts de poids. Dans le milieu de l'enseignement, un débat considérable existe depuis plus d'un demi-siècle sur la manière de définir le poids de leurs élèves. La situation actuelle est qu’un ensemble multiple de concepts coexistent et trouvent une utilisation dans leurs différents contextes.[2]

Histoire

Des poids de bronze officiels grecs antiques datant du 6ème siècle avant JC, exposés dans le musée de l'Agora antique à Athènes, situé dans la Stoa d'Attalus.
Peser le grain, du Babur-namah[9]

La discussion des 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 leur parenté. Pour Aristote, le poids et la légèreté représentaient la tendance à restaurer l'ordre naturel des éléments de base: l'air, la terre, le feu et l'eau. Il a attribué un poids absolu à la terre et une légèreté absolue à tirer. Archimède considère le poids comme une qualité opposée à la flottabilité, le conflit entre les deux déterminant si un objet coule ou flotte. La première définition opérationnelle du poids a été donnée par Euclid, qui a défini le poids comme suit: "le poids est la lourdeur ou la légèreté d'une chose, comparée à une autre, mesurée par une balance".[2] Les équilibres opérationnels (plutôt que les définitions) étaient cependant beaucoup plus longs.[10]

Selon Aristote, le poids était la cause directe du mouvement de chute d'un objet, la vitesse de l'objet qui tombait était supposée être directement proportionnelle au poids de l'objet. Les érudits médiévaux ont découvert que, dans la pratique, la vitesse de chute d'un objet augmentait avec le temps, ce qui a amené un changement du concept de poids pour maintenir cette relation de cause à effet. Le poids a été divisé en "poids immobile" ou Pondus, qui est resté constant, et la gravité réelle ou gravitas, qui a changé lorsque l'objet est tombé. Le concept de gravitas a finalement été remplacé par l’élan de Jean Buridan, précurseur de l’élan.[2]

La montée de la vision copernicienne du monde a conduit à la résurgence de l'idée platonicienne que les objets semblables attirent mais dans le contexte des corps célestes. Au XVIIe siècle, Galileo a réalisé des avancées significatives dans le concept de poids. Il a proposé un moyen de mesurer la différence entre le poids d'un objet en mouvement et 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 du mouvement telle que supposée par la vision aristotélicienne de la physique.[2]

Newton

L'introduction des lois du mouvement de Newton et le développement de la loi de Newton sur la gravitation universelle 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 sur un objet et dépendait donc du contexte de l'objet. En particulier, Newton a considéré que le poids était relatif à un autre objet provoquant la traction 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 la vraie position et la vraie vitesse. Newton a également reconnu que le poids mesuré par l'action de la pesée était influencé 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 vrai poids défini par la gravité.[2]

Bien que la physique newtonienne fasse une distinction claire entre le poids et la masse, le terme «poids» continue à être couramment utilisé lorsque les gens signifient masse. C'est ce qui a conduit la 3e Conférence générale sur les poids et mesures (CGPM) de 1901 à déclarer officiellement poids dénote une quantité de même nature qu'un Obliger: le poids d'un corps est le produit de sa masse et de l'accélération due à la pesanteur », ce qui le distingue de la masse pour usage officiel.

Relativité

Au 20ème siècle, les concepts newtoniens du temps et de l'espace absolus ont été remis en cause par la relativité. Le principe d'équivalence d'Einstein met tous les observateurs, en mouvement ou en accélération, sur le même pied. Cela a conduit à une ambiguïté quant à la signification de la force de gravité et du poids. Une échelle dans un ascenseur en accélération ne peut pas être distinguée d'une échelle dans un champ gravitationnel. La force gravitationnelle et le poids devenaient ainsi essentiellement des quantités dépendantes du cadre. Cela a conduit à l'abandon du concept comme superflu dans les sciences fondamentales telles que la physique et la chimie. Néanmoins, le concept est resté important dans l'enseignement de la physique. Les ambiguïtés introduites par la relativité ont conduit, à partir des années 1960, à un débat considérable dans la communauté enseignante sur la manière de définir le poids pour ses élèves, 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

Ce dragster haut-carburant peut accélérer de zéro à 160 kilomètres par heure (99 mph) en 0,86 secondes. C'est une accélération horizontale de 5,3 g. Combiné avec la force g verticale dans le cas stationnaire, le théorème de Pythagore donne une force g de 5,4 g. C'est cette force g qui entraîne le poids du conducteur si l'on utilise la définition opérationnelle. Si l'on utilise la définition gravitationnelle, le poids du conducteur est inchangé par le mouvement de la voiture.

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

Définition gravitationnelle

La définition la plus courante du poids trouvée 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 sur les poids et mesures (CGPM) a établi cette définition officielle poids:

"Le mot poids désigne 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 sur les poids et mesures[15][16]

Cette résolution définit le poids comme un vecteur, puisque la force est une quantité vectorielle. Cependant, certains manuels prennent également du poids pour être un scalaire en définissant:

"Le poids W d'un corps est égale à l'ampleur Fg de la force gravitationnelle sur le corps. "[17]

L'accélération gravitationnelle varie d'un endroit à l'autre. Parfois, on prend simplement une valeur standard de 9,80665 m / s2, qui donne le poids standard.[15]

La force dont la magnitude est égale à mg newtons est aussi connu sous le nom de poids de m kilogramme (lequel terme est abrégé en kg-wt)[18]

Mesurer le poids par rapport à la masse
À gauche: Une balance à ressort mesure le poids, en voyant combien l'objet pousse sur un ressort (à l'intérieur de l'appareil). Sur la Lune, un objet donnerait une lecture inférieure. 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

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 vers le bas 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 parce que l'action et la réaction ont la même valeur numérique et la direction opposée.Cela peut faire une différence considérable selon les détails. par exemple, un objet en chute libre exerce peu ou pas de force sur son support, une situation que l'on appelle communément apesanteur. Cependant, la 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. Cependant, cela soulève la question de définir «au repos» (habituellement être au repos par rapport à la Terre est implicite en utilisant la gravité standard). Dans la définition opérationnelle, le poids d'un objet au repos à la surface de la Terre est diminué par l'effet de la force centrifuge provenant de la rotation de la Terre.

La définition opérationnelle, telle qu’elle est généralement donnée, n’exclut pas explicitement les effets de la flottabilité, qui réduit le poids mesuré d’un objet immergé dans un fluide tel que l’air ou l’eau. On peut donc dire qu'un ballon flottant ou un objet flottant dans l'eau a un poids nul.

Définition ISO

Dans la norme internationale ISO 80000-4 (2006),[19] décrivant les grandeurs physiques de base et les unités de mécanique dans le cadre de la norme internationale ISO / CEI 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 aussi 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 du poids.
  • Dans le langage courant, le nom "poids" continue à être utilisé lorsque "masse" est signifié, mais cette pratique est déconseillée.
ISO 80000-4 (2006)

La définition dépend du référentiel choisi. Lorsque la trame choisie est co-mobile avec l'objet en question, cette définition correspond précisément à la définition opérationnelle.[12] Si le cadre spécifié est la surface de la Terre, le poids selon les définitions ISO et gravitationnelles ne diffèrent que par les effets centrifuges dus à la rotation de la Terre.

Poids apparent

Article principal: Poids apparent

Dans de nombreuses situations du monde réel, l'acte de peser peut produire un résultat qui diffère de la valeur idéale fournie par la définition utilisée. Ceci est généralement appelé le poids apparent de l'objet. Un exemple commun de ceci est l'effet de flottabilité, quand un objet est immergé dans un fluide le déplacement du fluide provoquera une force vers le haut sur l'objet, le faisant apparaître plus léger une fois pesé sur une échelle.[20] Le poids apparent peut être affecté de manière similaire par la lévitation et la suspension mécanique. Lorsque la définition gravitationnelle du poids est utilisée, le poids opérationnel mesuré par une échelle accélératrice est souvent appelé poids apparent.[21]

Masse

Un objet avec masse m reposant sur une surface et le diagramme de corps libre correspondant uniquement de l'objet montrant les forces agissant sur celui-ci. Notez que la quantité de 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 comme mg, puisque le poids est égal à la masse de l'objet multipliée par l'accélération due à la pesanteur): parce que ces forces sont égales, l'objet est dans un état d'équilibre (toutes les forces et tous les moments agissant sur lui sont nuls).
Article principal: Masse contre poids

Dans l'usage scientifique moderne, le poids et la masse sont des quantités fondamentalement différentes: la masse est une propriété intrinsèque de la matière, tandis que le poids Obliger cela résulte de l'action de la pesanteur sur la matière: elle mesure à quel point la force de gravité tire sur cette matière. Cependant, dans la plupart des situations pratiques de tous les jours, le mot "poids" est utilisé lorsque l'on veut dire "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’est pas importante à de nombreuses fins 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, donc la masse de l'objet A est 10 fois plus grande que celle de l'objet B. Cela signifie que la masse d'un objet peut être mesurée indirectement par son poids, et ainsi, à des fins de pesage (à l’aide d’une balance) est un moyen tout à fait acceptable de mesurer la masse. De même, une balance mesure indirectement la masse en comparant le poids de l’objet mesuré à celui d’un ou de plusieurs objets de masse connue. Comme l'objet mesuré et la masse de comparaison se trouvent pratiquement au même endroit, subissant le même champ gravitationnel, l'effet de la gravité variable n'affecte pas la comparaison ou la mesure qui en résulte.

Le champ gravitationnel de la Terre n'est pas uniforme mais peut varier de 0,5%[23] à différents endroits sur 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'endroit où les objets seront utilisés pour montrer ce poids standard, de manière à être légales pour le commerce.

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

Emplacement Latitude Mme2
Équateur 9.7803
Sydney 33 ° 52 'S 9.7968
Aberdeen 57 ° 9 'N 9.8168
pôle Nord 90 ° N 9.8322

L'utilisation historique du "poids" pour la "masse" persiste également dans une certaine terminologie scientifique - par exemple, les termes chimiques "poids atomique", "poids moléculaire" et "poids de formule", peuvent encore être trouvés plutôt que le préféré "atomique". masse "etc.

Dans un champ gravitationnel différent, par exemple, à la surface de la Lune, un objet peut avoir un poids significativement différent de celui de la Terre. La gravité à la surface de la Lune est seulement d'environ un sixième aussi forte qu'à la surface de la Terre. Une masse d'un kilogramme est toujours une masse d'un kilogramme (car la masse est une propriété extrinsèque de l'objet) mais la force descendante due à la gravité, et donc à son poids, est seulement un sixième de ce que l'objet aurait sur Terre. Donc, un homme de masse de 180 livres ne pèse qu'environ 30 livres de force lors de la visite de la Lune.

Les unités SI

Dans la plupart des travaux scientifiques modernes, les grandeurs physiques sont mesurées en unités SI. L'unité de poids SI est la même que celle de la force: le newton (N) - une unité dérivée qui peut aussi être exprimée en unités de base SI en kg⋅m / s2 (kilogrammes fois mètres par seconde au carré).[22]

Dans un usage commercial et quotidien, le terme «poids» est habituellement utilisé pour désigner la masse, et le verbe «peser» signifie «déterminer la masse de» ou «avoir une masse de». Utilisé dans ce sens, l'unité SI appropriée est le kilogramme (kg).[22]

Livre et autres unités non SI

Dans les unités coutumières des États-Unis, la livre peut être soit une unité de force, soit une unité de masse.[25] Les unités apparentées utilisées dans certains sous-systèmes d'unités distincts et distincts comprennent le poundal et le slug. Le poundal est défini comme la force nécessaire pour accélérer un objet d'une livre Masse à 1 pied / s2, et équivaut à environ 1 / 32.2 d'une livreObliger. Le slug est défini comme la quantité de masse qui accélère à 1 pi / s2 quand une livre-force est exercée sur elle, et est équivalente à environ 32,2 livres (masse).

Le kilogramme-force 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). Le dyne est l'unité de force cgs et ne fait pas partie de SI, alors que les poids mesurés dans l'unité de masse cgs, le gramme, restent une partie de SI.

Sensation

Voir aussi: Poids apparent

La sensation de poids est causée par la force exercée par les fluides dans le système vestibulaire, un ensemble tridimensionnel de tubes dans l'oreille interne. C'est en fait la sensation de g-force, indépendamment du fait que cela soit dû au fait d'être stationnaire en présence de la gravité, ou, si la personne est en mouvement, le résultat de toute autre force agissant sur le corps comme dans le cas de l'accélération ou la décélération d'un ascenseur, ou les forces centrifuges en tournant brusquement.

Mesure

Article principal: Balance
"Peser" redirige ici. Pour d'autres utilisations, voir Peser (homonymie).
Un pont bascule utilisé pour peser des camions

Le poids est généralement mesuré en utilisant l'une des deux méthodes. Une balance à ressort ou hydraulique ou pneumatique mesure le poids local, la force de gravité locale sur l'objet (force de poids strictement apparente). Puisque la force de gravité locale peut varier jusqu'à 0,5% à différents endroits, les balances à ressort mesureront des poids légèrement différents pour le même objet (la même masse) à différents endroits. Pour normaliser les poids, les échelles sont toujours calibrées pour lire le poids qu'un objet aurait à une densité nominale de 9,80665 m / s.2 (environ 32.174 ft / s2). Cependant, cet étalonnage est effectué en usine. Lorsque l'échelle est déplacée vers un autre emplacement sur Terre, la force de gravité sera différente, provoquant une légère erreur. Donc, pour être très précis et légal pour le commerce, les balances à ressort doivent être recalibrées à l'endroit où elles seront utilisées.

UNE équilibre d'autre part, compare le poids d'un objet inconnu dans une balance à la masse des masses standard de l'autre, en utilisant un mécanisme à levier - une balance à levier. Les masses standard sont souvent appelées non techniquement "poids". Étant donné que toute variation de la gravité agira de manière égale sur les poids inconnus et connus, un balancier indiquera la même valeur en tout point de la Terre. Par conséquent, l'équilibre "poids" sont généralement étalonnés et marqués en unités de masse, de sorte que l’équilibre du levier mesure la masse en comparant l’attraction de la Terre sur l’objet inconnu et les masses standard dans les casseroles. En l'absence d'un champ gravitationnel, loin des corps planétaires (par exemple, l'espace), un levier-balance ne fonctionnerait pas, mais sur la Lune, par exemple, il donnerait la même lecture que sur Terre. Certaines balances peuvent être marquées en unités de poids, mais comme les poids sont calibrés en usine pour la pesanteur standard, la balance mesurera le poids standard, c'est-à-dire ce que l'objet pèsera à la gravité standard, et non la force de gravité locale.

Si la force de gravité réelle sur l'objet est nécessaire, cela peut être calculé en multipliant la masse mesurée par la balance par l'accélération due à la gravité - soit la gravité standard (pour le travail quotidien) ou la gravité locale précise (pour le travail de précision). Des tableaux de l'accélération gravitationnelle à différents endroits peuvent être trouvés sur le web.

Le poids brut est un terme généralement utilisé dans le commerce ou les applications commerciales et désigne le poids total d'un produit et de son emballage. Inversement, le poids net se réfère au poids du produit seul, en déduisant le poids de son contenant ou de son emballage; et le poids à vide est le poids de l'emballage seul.

Poids relatifs sur la Terre et les autres corps célestes

Articles principaux: Gravité de la Terre et Gravité de surface

Le tableau ci-dessous montre les accélérations gravitationnelles comparatives à la surface du Soleil, la Lune de la Terre, chacune des planètes du système solaire. La "surface" est prise pour signifier les sommets de nuages ​​des géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Pour le Soleil, la surface signifie la photosphère. Les valeurs du tableau n'ont pas été dévalorisées pour l'effet centrifuge de la rotation de la planète (et les vitesses du vent dans les nuages ​​pour les géantes gazeuses) et, par conséquent, sont généralement similaires à la gravité réelle qui serait observée près des pôles.

Corps Multiple de
Gravité de la terre
Gravité de surface
Mme2
4.2
5
13
4
5
3
1
2
3
1
1