質量対重量

一般的に、オブジェクトの質量は重量と呼ばれますが、実際にはこれらは異なる概念と量です。科学的な文脈では、質量は物体の「物質」の量です（「物質」を定義するのは難しいかもしれませんが）一方で、重量は重力によって物体に加えられる力です。言い換えると、1.0キログラムの質量を持つオブジェクトの重量は、地球の表面で約9.81ニュートンであり、その質量に重力場の強度を掛けたものです。物体の重量は、重力が弱い火星では小さく、土星では大きく、重要な重力源から遠く離れると空間が非常に小さくなりますが、常に同じ質量を持ちます。

地球の表面にある物体には重量がありますが、重量の測定が難しい場合があります。例としては、水に浮かぶ小さな物体がありますが、水に浮かぶので重量がないようです。しかし、はかりで完全に支えられ、計量された容器内の水に加えられると、通常の重量になることがわかります。したがって、水に浮かぶ「無重量物体」は、実際にその重量を容器の底部に移します（圧力が増加します）。同様に、バルーンには質量がありますが、空気中の浮力により、重量がないか、負の重量さえあるように見える場合があります。しかし、バルーンとその内部のガスの重量は、地球の表面の広い領域に移動しただけであり、重量の測定が困難になっています。飛行中の飛行機の重量は同様に地面に分配されますが、消えません。飛行機が水平飛行している場合、飛行機が滑走路にいたときと同じ重量の力が地球の表面に分配されますが、より広い範囲に広がります。

質量のより良い科学的定義は、慣性で構成されているという記述です。慣性とは、外力が作用したときに加速される物体の抵抗です。重力の「重さ」は、重力場によって質量が作用し、物体が自由落下することはできませんが、惑星の表面などの機械的な力によって支持または遅延されるときに作成される力です。そのような力は重量を構成します。この力は、他の種類の力によって追加できます。

物体の重量は重力場の強さに比例して変化しますが、エネルギーや物質が物体に追加されない限り、その質量は一定です。たとえば、軌道上の衛星（本質的に自由落下）は「無重力」ですが、質量と慣性は保持されます。したがって、軌道上であっても、衛星をあらゆる方向に加速しようとする宇宙飛行士は力を発揮する必要があり、質量が10トンの衛星と同じ速度で10トンの衛星を加速するには10倍の力をかける必要があります1トン。

概要

質量は（他の特性の中でも） 慣性特性です。つまり、外力の影響を受けない限り、オブジェクトが一定の速度を維持する傾向があります。アイザック・ニュートンirの332歳の運動の法則と、彼の仕事から生まれた重要な公式F = maの下で、質量mが1キログラムの物体が加速し、 a 、1秒あたり1メートル（約地球の重力による加速度の1/10）1ニュートンの力Fが作用したとき。

慣性は、ボウリングのボールが水平で滑らかな表面で水平に押され、水平方向に動き続けるときに見られます。これは重量とはまったく異なります。重量とは、ボウリングボールを床から離して保持するときに打ち消さなければならない下向きの重力です。月のボウリングボールの重量は地球の6分の1になりますが、その質量は変化しません。その結果、 反動の動力学 （質量、速度、慣性、非弾性および弾性衝突）の物理が支配的であり、重力の影響が無視できる要素である場合、重力が比較的弱い場合でもオブジェクトの動作は一貫したままです。たとえば、ビリヤード台のビリヤードボールは、月と地球でのブレイクショットの後、同じ速度とエネルギーで散乱および反動します。ただし、ポケットに落ちるのははるかに遅くなります。

物理科学では、「質量」と「重量」という用語は物理的性質が異なるため、別々の尺度として厳密に定義されます。日常の使用では、すべての日常のオブジェクトは質量と重量の両方を持ち、一方が他方にほぼ正確に比例するため、「重量」は両方の特性を説明するのに役立ち、その意味は文脈に依存します。たとえば、小売商取引では、製品の「正味重量」は実際には質量を指し、グラムやオンスなどの質量単位で表されます（ ポンド：商取引での使用も参照） 。逆に、タイヤの最大構造荷重をキログラム単位で指定する自動車タイヤの荷重指数定格は、重量を指します。つまり、重力による力です。 20世紀後半までは、テクニカルライティングではこの2つの区別が厳密に適用されていなかったため、「分子量」（分子量）などの表現が依然として見られます。

質量と重量は別々の量であるため、測定単位が異なります。国際単位系（SI）では、キログラムが質量の基本単位であり、ニュートンが力の基本単位です。非SIキログラム力は、重量の測定に通常使用される力の単位でもあります。同様に、帝国システムと米国の慣習単位の両方で使用されるアボイルデュポアポンドは質量単位であり、それに関連する力の単位はポンド力です。

質量単位を地球上の同等の力に変換する

オブジェクトの重量（その重力）が「キログラム」で表される場合、これは実際にはキログラム力（kgfまたはkg-f）を指し、 キロポンド （kp）とも呼ばれ、SI以外の力の単位です。 。地球の表面上のすべての物体は、約9.8 m / s2の重力加速度を受けます。重量と測定に関する一般会議は、標準重力の値を正確に9.80665 m / s2に固定したため、計量などの分野では、定義済みの質量の単位を定義済みの力と圧力に変換するための標準値が得られます。したがって、キログラム力は正確に9.80665ニュートンと定義されます。実際には、重力加速度（記号： g ）は、緯度、標高、および地下密度によってわずかに異なります。これらの変動は通常、わずか数パーセントです。 重量測定も参照してください。

エンジニアと科学者は、質量、力、重量の違いを理解しています。構造工学などの重量負荷（重力による構造物への力）を伴う分野のエンジニアは、コンクリートや自動車などの物体の質量（キログラムで表される）をニュートン単位の力に変換します（約9.8の係数を掛けることにより、2そのような計算には通常、有効数字で十分です）、オブジェクトの負荷を導き出します。弾性率などの材料特性は、ニュートンおよびパスカル（ニュートンに関連する圧力の単位）の観点から測定および公開されます。

浮力と重量

通常、地球上の質量と重量の関係は非常に比例しています。 1リットルのソーダのボトルよりも100倍重いオブジェクトは、ほぼ常に100倍以上の重さです。約1,000ニュートンは、100キログラムをわずかに超える質量のオブジェクトから地球に期待される重量です。しかし、これは常にそうであるとは限らず、この質量/重量の比例に違反するおなじみのオブジェクトがあります。

一般的なヘリウムで満たされたおもちゃの風船は、多くの人になじみのあるものです。このようなバルーンがヘリウムで完全に満たされると、浮力、つまり重力に逆らう力が発生します。おもちゃの風船が部分的に収縮すると、中立的に浮くようになり、家から1メートルまたは2メートル離れたところに浮くことができます。そのような状態では、バルーンが上昇も下降もしない瞬間があり、その下に置かれたスケールに力が加えられていないという意味で、完全に無重量という意味です（実際には以下に示すように、重量は単に地球の表面に沿って再分布されたため、測定できません）。バルーンを構成するゴムの質量はわずか数グラムであり、ほとんど目立たないかもしれませんが、ゴムは膨らんだときにすべての質量を保持します。

繰り返しますが、低重力環境が重量に与える影響とは異なり、浮力はオブジェクトの重量の一部を消滅させません。代わりに、不足している重量は地面によって支えられており、問題のオブジェクトの下に理論的に配置されたスケールに適用される力（重量）が少なくなります（ただし、その状態で何かを正確に計量する実際的な側面にはおそらく問題があるかもしれません）。しかし、誰かが入ってきて浮かんでいる小さなウェーディングプールの重量を量る場合、その人の全重量がプール、最終的にはプールの下の体重計によって支えられていることがわかります。浮力のある物体（浮力のある物体の重量を測定するための適切に機能するスケール上）の重量は少なくなりますが 、 物体/流体システムは、物体が追加されると物体の全質量の値により重くなります。空気は流体であるため、この原理はオブジェクト/空気システムにも適用されます。大量の空気、そして最終的には地面が、空中浮力によって体が失う重量を支えます。

浮力の効果は、風船だけに影響するのではありません。液体と気体の両方が物理科学の流体であり、塵粒子よりも大きなすべてのマクロサイズのオブジェクトが地球上の流体に浸漬されると、ある程度の浮力があります。プールに浮かぶスイマーまたは空中に浮かぶバルーンの場合、浮力は、プール内の計量装置に対して、被計量物の重力に完全に対抗できます。ただし、前述のように、流体によってサポートされるオブジェクトは、スリングまたはケーブルによってサポートされるオブジェクトと基本的に違いはありません。重量は消えないように、別の場所に移動されただけです。

「無重量」（中立浮力）バルーンの質量は、はるかに大きい熱気球でより良く評価できます。彼らが地面の上をホバリングしているとき（しばしばゼロ重量の100ニュートン以内になることができるとき）に体重に対抗する努力は必要ありませんが、数百キログラム以上のかなりの質量に関連する慣性は完全に成長した男性を打ち落とすことができます風船のバスケットが地面の上を水平に移動しているときの足。

浮力と、その結果として重さのある物体の下向きの力の減少は、アルキメデスの原理の根底にあり、この原理は、浮力は物体が移動する流体の重量に等しいと述べています。この流体が空気の場合、力は小さい可能性があります。

測定に対する空気の浮力効果

通常、通常の密度の物体に対する空気の浮力の影響は、日常の活動に影響を与えるには小さすぎます。たとえば、人の体重（比較的低密度の物体）に対する浮力の減少効果は、重力の860分の1です（純水の場合、重力の約770分の1です）。さらに、気圧の変動が人の体重に影響を与えることはほとんどなく、30,000分の1を超えます。ただし、計測（測定の科学）では、実験室のはかりと天びんを校正するための精密質量標準は、浮力の影響を補正するために空気密度が考慮されるような精度で製造されています。国際プロトタイプキログラム（キログラムの大きさを定義したフランスの質量基準）のような白金イリジウム質量標準の非常に高いコストを考えると、高品質な「作業」の基準は、約8,000の密度で特殊なステンレス鋼合金で作られていますkg / m3は、密度が約21,550 kg / m3のプラチナイリジウム製のものよりも大きな体積を占めます。便宜上、ステンレス鋼と比較した浮力の標準値が計測作業用に開発されたため、「従来の質量」という用語が作成されました。従来の質量は次のように定義されます。「20℃の質量の場合、「従来の質量」とは、密度8,000 kg / m3の参照標準の質量であり、空気中で1.2 kg / m3の密度とバランスをとります。」影響は小さいもので、ステンレス鋼の質量標準では150 ppmですが、すべての精密質量標準の製造中に適切な修正が行われるため、真のラベル付き質量が得られます。

定期的な実験室での使用における高精度スケール（または天びん）がステンレス鋼標準を使用して較正されるときはいつでも、スケールは実際に従来の質量に較正されています。つまり、真の質量から150 ppmの浮力が差し引かれます。質量がまったく同じで密度が異なるオブジェクトは、異なる体積を変位し、したがって異なる浮力と重量を持つため、このスケールで測定されたオブジェクト（ステンレス鋼の質量標準と比較して）は、従来の質量が測定されます。つまり、その真の質量から未知の浮力を引いたものです。高精度の作業では、物品の体積を測定して、浮力の効果を数学的に無効にすることができます。

スケールの種類とその測定対象

医師のオフィスで平均台型の体重計の上に立つと、質量が直接測定されます。これは、天びん（「デュアルパン」質量比較器）が、プラットフォーム上の人にかかる重力と、ビーム上のスライド式カウンターウェイトの重力を比較するためです。重力は、針が「平衡」（ヌル）ポイントから発散することを可能にする力生成メカニズムです。これらの天びんは地球の赤道から極に移動でき、まったく同じ測定値を与えることができます。つまり、医師の患者が0.3％重くなったことを偽って示すことはありません。それらは、その軸の周りの地球の回転による重力に反する遠心力の影響を受けません。しかし、スプリングベースまたはデジタルロードセルベースのスケール（シングルパンデバイス）に足を踏み入れると、体重（重力）が測定されます。また、重力場の強さの変動が読み取りに影響します。実際には、そのようなはかりが商業または病院で使用される場合、それらはしばしば現場で調整され、それに基づいて認証されます。そのため、ポンドまたはキログラムで表される測定される質量は、所望の精度レベルになります。

商業で使用する

アメリカ合衆国では、米国商務省、技術管理局、および米国国立標準技術研究所（NIST）が、地域の統一法および規制の下での商品交換における質量および重量の使用を定義しています。 NISTハンドブック130の法定計量とエンジン燃料品質の比較。

NISTハンドブック130の状態：

V. 「質量」および「重量」。オブジェクトの質量は、オブジェクトの慣性特性、またはオブジェクトに含まれる物質の量の尺度です。物体の重量は、重力によって物体に作用する力、または物体を支えるのに必要な力の尺度です。地球上の重力の引力は、オブジェクトに約9.8 m / s2の下向きの加速度を与えます。貿易と商業および日常使用では、「重量」という用語は「質量」の同義語としてよく使用されます。ラベルに記載されている「正味質量」または「正味重量」は、パッケージに包装材を除いた特定量の商品が含まれていることを示します。 「質量」という用語の使用は世界中で優勢であり、米国ではますます一般的になっています。 （1993年追加） W. 「質量」および「重量」という用語の使用。このハンドブックで使用される場合、「重量」という用語は「質量」を意味します。 「重量」という用語は、インチポンド単位が引用されている場合、またはインチポンド単位とSI単位の両方が要件に含まれている場合に表示されます。 「質量」または「質量」という用語は、要件でSIユニットのみが引用されている場合に使用されます。次の注記は、法律または規制で「重量」という用語が最初に使用されている場合に表示されます。 注1：この法律（または規制）で使用される場合、「重量」という用語は「質量」を意味します。 （これらの用語の説明については、NISTハンドブック130のセクションI.「はじめに」のパラグラフVおよびWを参照してください。）（1993年追加）6 "

このハンドブックに優先する米国連邦法は、重量、特に正味重量を、アボイルデュポアポンドまたは質量ポンドの観点から定義しています。 21CFR101パート101.105から-免除される場合のコンテンツの正味量の宣言：

（a）包装形態の食品の主要陳列パネルは、内容物の正味量の宣言を行うものとする。これは、重量、測定値、数値カウント、または数値カウントと重量または測定値の組み合わせで表現されるものとする。声明は、食品が液体の場合は流動性の観点から、食品が固体、半固体、粘性、または固体と液体の混合物の場合は重量の観点から、ただし、食品が新鮮な果物、新鮮な野菜、または通常ドライメジャーで販売されている他のドライ商品である場合、そのような記述はドライメジャーの観点からである場合があります。固く確立された一般消費者の使用法と、重量で液体の内容、または流体測定で固体、半固体、または粘性製品の内容を宣言する取引慣習がある場合、それを使用することができます。特定の包装食品の場合、重量、量、数量、または組み合わせによって正味量を宣言する既存の慣行が消費者による価値比較を促進せず、消費者が混乱する機会を提供すると既存の慣行が決定する場合はいつでも、規制は、そのような商品に使用される適切な用語を指定します。 （b）（1）重量表示は、アボイルデュポアのポンドとオンスの観点からでなければなりません。

一般的なラベル表示および処方ラベル表示の要件については、21CFR201 Part 201.51 –「コンテンツの正味量の宣言」も参照してください。