น้ำหนักกับมวล

เราอาจเคยได้ยินทั้งสองคำ น้ำหนัก และมวล หรือบางคนรู้จักแค่น้ำหนัก บ่อยครั้งที่มีการใช้สลับกัน เพราะมวลและน้ำหนักมีความสัมพันธ์กัน แต่สองคำมีความหมายที่ต่างกัน

มวล (m)เป็นสมบัติของวัตถุ เป็นปริมาณสสารที่อยู่ในวัตถุนั้น หากเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุมวลจะเท่าเดิม โดยที่หน่วยของมวล คือกิโลกรัม (หน่วยวัดระบบ SI) แต่ขณะที่น้ำหนัก (W) เป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงแปรผันไปกับปริมาณความเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงโลก(g) โดยที่หน่วย ของน้ำหนัก คือ นิวตัน(หน่วยวัดระบบ SI) W = mg

ถ้าเราอยู่ที่ระดับน้ำทะเลน้ำหนักของคนเราจะเท่ากับ มวลคูณกับความเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลกหรือค่า g ซึ่งมีค่าประมาณ 9.81 m/s2หรือกล่าวคือ เมื่อปล่อยก้อนหินให้ตกลงพี้น (สมมุติว่าไม่มีแรงต้านอากาศ) ในทุกๆหนึ่งวินาทีวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นไปอีก 9.81 เมตรต่อวินาที

ถ้าชั่งผลไม้ด้วยเครื่องชั่ง เราจะได้ค่าน้ำหนักของผลไม้นั้นมีหน่วยเป็น"กิโลกรัม" ซึ่งในทางวิทยาศาสตร์หน่วยของน้ำหนัก คือ นิวตัน การใช้อุปกรณ์ชั่งน้ำหนัำกวัตถุหรือสิ่งของต่างๆ นั้น จะมีแรงโน้มถ่วงโลกกระทำต่อวัตถุนั้นตลอดเวลา แต่ด้วยเราอยู่บนโลกอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงเดียวกัน ความแปรผันจึงเหมือนกัน ทำให้มีการสลับหน่วยกิโลกรัมกับนิวตันได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวัน เช่น การคำนวณส่วนผสมทำอาหารที่ต้องการเพิ่มน้ำหนักวัตถุดิบสองเท่า เมื่อเพิ่ม “น้ำหนัก” วัตถุดิบบนตาชั่่่งสองเท่า มวลหรือปริมาณของวัตถุดิบก็เพิ่มสองเท่าเช่นกัน

แต่ถ้าเราชั่งวัตถุหรือสิ่งของต่างๆ ที่ระดับความสูงต่างกัน เช่น บนเขาหรือห่างออกจากโลกไป “น้ำหนัก” ที่ชั่งใหม่จะลดลงเพราะแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุลดลงตามระยะห่างจากจุดศูนย์กลางมวลโลก นอกจากนี้การที่โลกไม่ได้มีรูปทรงเป็นทรงกลม (ป่องด้านข้างเล็กน้อย) ทำให้แม้จะอยู่บริเวณพื้นโลก และการที่โลกหมุนก็อาจทำให้ค่า g ไม่เท่ากัน จึงทำให้มีน้ำหนักต่างกัน และถ้าหากไม่มีแรงโน้มถ่วงจากโลกกระทำต่อวัตถุ อย่างเช่นในอวกาศ น้ำหนักจะมีค่าเท่ากับศูนย์และตาชั่งก็ไม่สามารถระบุน้ำหนักได้ หรือถ้าเราอยู่บนดวงจันทร์ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าโลก แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์มีน้อยกว่าโลก ทำให้น้ำหนักที่ชั่งได้ไม่เท่ากัน ซึ่งจะมีค่าน้ำหนักต่ำกว่านำหนักบนโลกนั่นเอง

หากเรากำลังขึ้นลิฟท์ โดยลิฟท์ยกตัวสูงขึ้นด้วยความเร่งหรือมีแรงกระชากตัวเราขึ้นไป ทิศของแรงกระทำที่ดึงลิฟท์ให้เคลื่อนที่ขึ้นนั้น จะเกิดแรง แรงหนึ่ง เรียกว่า แรงเฉื่อย ซึ่งจะมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ คือมีทิศลง (ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน การเปลี่ยนทิศทางหรือความเร็ว จะทำให้เกิดแรงเฉื่อยซึ่งมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่) เมื่อแรงเฉื่อยมีทิศลงเช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วงโลก จะส่งผลให้เรามีน้ำหนักเพิ่มขึ้น(บนตาชั่ง) แม้แต่ตัวเรายังรู้สึกได้เองเหมือนมีแรงดึงตัวเราลงระหว่างที่ลิฟท์เร่งตัวขึ้นด้านบน แต่ถ้าลิฟท์เคลื่อนที่สมำเสมอด้วยความร็วคงที่ (ไม่มีความเร่ง) “น้ำหนัก”ที่วัดได้จะเท่ากับ”น้ำหนัก”เหมือนตอนอยู่นิ่ง เพราะไม่มีแรงเฉื่อยเกิดขึ้นนั่นเอง
ในทางกลับกันหากลิฟท์เคลื่อนที่ลงด้วยความเร่ง ความเฉื่อยจะมีทิศทางตรงกันข้ามกับแรงโน้มถ่วง จึงทำให้”น้ำหนัก”ลดลง และถ้าลวดสลิงของลิฟท์ขาด หรือ ลิฟท์เกิดการ “ตกอย่างอิสระ” เป็นการเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง แรงเฉื่อยและแรงโน้มถ่วงจะหักล้างกัน ทำให้เกิดสภาวะ “ไร้น้ำหนัก” ตาชั่งจะวัด “น้ำหนัก” ได้เท่ากับศูนย์ โดยเหตุการณ์ที่ได้กล่าวมาทั้งหมดนี้ มวลหรือปริมาณสสารในตัวเรานั้นยังคงเท่าเดิม

 

ผู้เขียน: นุชจริม เย็นทรวง

ที่มาของแหล่งข้อมูล (Reference)
https://www.wired.com/story/think-weight-and-mass-are-the-same-nope-and-heres-why-it-matters/
http://physics.usask.ca/~kathryn/phys111/apparent_weight.pdf
https://www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/elev.html
http://physics.usask.ca/~kathryn/phys111/apparent_weight.pdf

ค้นคว้าเพิ่มเติม https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/66733/-sciphy-sci-
http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/dynamic1/index6_1.html