מסה משקל נפח – מה הסיפור?

במאמר זה ננסה להסביר מהם מסה ונפח וכיצד הם שונים ממשקל.

אז מאיפה מתחילים להסביר? נתחיל מהגדרה של גוף או עצם. לדוגמא, אני אדם ואפשר לומר שהגובה (אורך) שלי שני מטר, הרוחב הוא חצי מטר והעובי (עומק) חצי מטר. מכאן, את הגוף (אני) ניתן לתאר כקוביה של 2מ' על 0.5מ' על 0.5מ'. 

נפח - הוא המקום שאותו גוף תופס במרחב. אני תופס את המקום של 2מ' על 0.5מ' על 0.5מ' שהם חצי מטר מעוקב שהם 500 ליטר. הנפח הוא נתון קבוע שאינו משתנה. 

מסה - היא כמות החומר שיש בגוף. אם אני שוקל 100 קילוגרם, יש בי 100 קילוגרם חומר. דבר זה לא ישתנה ואינו תלוי בסביבה בה אני נמצא. בבקבוק של ליטר יש קילוגרם מים ומכאן יש בו קילוגרם חומר. אם נרוקן אותו, נפח הבקבוק ישאר ליטר אבל לא  יהיה בו חומר כלל.

משקל:

כאן יש משהו שכן משתנה ותלוי בתנאי הסביבה. בנוסף, הבילבול בין מסה ומשקל נובע מטעות נפוצה שכולנו עושים – שימו לב, כתבתי שאני שוקל 100 קילוגרם וזה ממש לא נכון. המסה שלי היא של 100 קילוגרם ולגבי המשקל? המשקל תלוי בסביבה, באמצעי המדידה וגם לא מודדים אותו בקילוגרמים אלא ביחידות שנקראות ניוטון. וניוטון זה בכלל יחידות של כוח.

למה משקל נמדד ביחידות של כוח ולמה הוא  נתון משתנה לפי תנאי הסביבה?

בואו נבחן לרגע את האמצעי איתו קובעים משקל:

יש לנו מאזניים עם כפות שבצד אחד שמים משקולת ובצד השני את הגוף ששוקלים. במאזניים כאלה אנו משווים מסה של גוף אחד למסה של גוף אחר.

אבל רוב המאזניים הם מאזני קפיץ, מתחת למשטח השקילה ישנו קפיץ ולפי הלחץ שמופעל עליו אנו יודעים כמה הגוף שוקל. קפיץ, לחץ, מדובר כאן על כוחות. מסת הגוף נמשכת ע"י כוח המשיכה של כדור הארץ ולכן לוחצת על המאזניים. אם נקטין את כוח המשיכה הלחץ יקטן והמשקל שהמאזניים ימדדו ירד.

לכן, בגובה פני הים בכדור הארץ המאזניים יראו 100 קילוגרם שהם כ-981 ניוטון. בירח המשקל יהיה 16.6 קילוגרם או 163 ניוטון למרות שמסת הגוף תישאר 100 קילוגרם. 

אם ניצלול מתחת למים נוסיף לכוח המשיכה גם את לחץ המים שמעלנו והמשקל יעלה זאת כמובן אם נניח שאין מעורבות של כוחות נוספים כמו משקל סגולי, שינוי בצורת הגוף ולחץ נגדי. לעומת זאת, אם נשקול את הגוף כאשר הוא צף עלפני המים, משקלו יהיה נמוך כי המים מפעילים עליו כוח נגדי לכוח המשיכה. לכן אנו חשים חסרי משקל במים.

לסיכום, מסה ונפח הם נתונים קבועים בלתי משתנים שמתארים גוף מסויים. המשקל הוא נתון משתנה שתלוי בסביבה בה הוא נמדד.

מאזני כפות משווים בין מסה של גופים שונים ולכן יתנו לנו מדד מדוייק יותר לגבי מסת הגוף בעוד שמאזני קפיץ מודדים משקל שהוא בעצם הכוח שהגוף מפעיל על המאזניים. כוח זה תלוי בכוח המשיכה ובתנאי הסביבה.

אז מהו משקל סגולי ואיך הוא שונה ממשקל רגיל?

משקל סגולי או צפיפות החומר הוא המשקל ליחידת נפח. לדוגמא, אוניה יכולה לשקול מאות טונות אבל המשקל הסגולי שלה נמוך ממשקל המים ולכן היא צפה עלפני המים. המשמעות של משקל סגולי היא בעצם כמות חומר ליחידת נפח.

במוצר שמתואר כאן  תמצאו קוביות של חומרים שונים בעלות נפח זהה. אם תשקלו את הקוביות תמצאו שהמשקל שונה. ליטר דבש ישקול יותר מליטר מים וקילוגרם דבש יתפוס פחות מקום מקילוגרם מים. תוכלו לשקול ליטר שמן מול ליטר מים, השמן בעל משקל סגולי נמוך יותר ולכן צף.

גילוי תופעת המשקל הסגולי מיוחס למדען היווני ארכימדס שחי לפני כ-2200 שנים:

האגדה מספרת כי ארכימדס נתבקש לקבוע אם הכתר של מלך העיר סירקוסאי עשוי זהב טהור. הכתר שקל כמשקל הזהב וכך היה צורך לחשב את נפח הכתר בכדי לדעת את צפיפות החומר\המשקל הסגולי שלו. כאשר ארכימדס עשה אמבטיה הוא שם לב שגופו דוחק את המים וכך הבין שע"י מדידת כמות המים שהכתר דוחק הוא יכול לחשב את נפחו. כך, אם משקל הכתר ונפחו זהים למשקל  ונפח הזהב הטהור הרי שהוא טהור.

ואם נחזור לאוניה, אוניה עשויה ברזל, איך היא צפה? 

האוניה בעלת משקל סגולי נמוך מהמים בגלל שיש בה המון חדרים עם אוויר כך שבממוצע משקלה הסגולי נמוך ממשקל המים.