ما هو الفرق بين الكتلة والوزن؟

في حياتنا اليومية، وحتى في المقالات العلمية، تُستخدم كلمتا (الكتلة والوزن) على أنهما مصطلحان مترادفان، لكن من الناحية العلمية فكلاهما مرتبطان ولكن هناك فرقٌ بينهما.

كتلة الجسم هي خاصيّة جوهرية للجسم المذكور، وهي مقدار ما يحتويه الجسم من مادّة. لا تتغير كتلتك إذا كنت تقف على الأرض أو على القمر أو في منتصف المسافة إلى مجرّة ‘الأندروميدا/Andromeda’. ولكنّ وزنك سيتغير.

الوزن هو “قوّة”، وعلى وجه التحديد: “هو القوّة التي تؤثّر على مادة الجسم بواسطة مجال الجاذبية). لذا فإنّ السؤال المخادع القديم الذي يُطرح على الأطفال [ما الذي يزن أكثر، كيلو (رطل) من الريش أو كيلو (رطل) من الرصاص؟] يتطلّب إضافةً مهمّة، [هل هاتان العينتان في نفس مجال الجاذبيّة؟]، منطقيًّا فإنّه لدى العيّنتان نفسُ الكمية من المادة، لكن كيلو من الريش على كوكب المشتري سيزن أكثر من كيلو من الرصاص على الأرض.

أهميّة الكتلة

الكتلة – في حدّ ذاتها- مسألةٌ معقّدة للغاية عندما يتعلق الأمر بفهمٍ كاملٍ لها. فهي تنشأ من تفاعل الجسيمات الأساسية مع ما يدعى بحقل “هيغز” (وهو حقلٌ نظريّ يتخلّل الكون، وضعه العالم هيجز كتفسيرٍ محتملٍ لكيفيّة اكتساب الجسيمات الكونيّة الأساسية لكتلتها) حيث تكون التفاعلات الأقوى، للجسيمات الأثقل. ولكن هناك بعض الخصائص الغريبة في الكتلة التي لا يمكن تفسيرها.

المبدأ الأساسي الأوّل هو “مبدأ التكافؤ”. يمكن قياس الكتلة دون الحاجة إلى التعامل مع الجسيمات بطريقتين:

• “كتلة الجاذبية” ويمكن حسابها من الوزن
• “الكتلة الحرّة” وهي متعلّقة بخصائص الجسم في مقاومة الحركة.

وتكون هاتان الطريقتان متكافئتان في الكون، ويُعرف هذا أيضًا “باسم عالميّة السقوط الحر”.

تقول الأسطورة أنّ جاليليو قد أثبت هذا عندما أسقط كرتين مدفعيتين ذات كتلٍ مختلفة، من برج بيزا المائل. وهناك مقاطع فيديو لقائد أبولو 15 “ديفيد سكوت/David Scott” يقوم بتجربةٍ باستخدام ريشة ومطرقة على سطح القمر. وفي الآونة الأخيرة، اختُبِرَ مبدأ التكافؤ بدقّةٍ لا تصدّق.

نحن نتحدث عن الكتلةِ كمفهومٍ شائع ومألوف لدى الكثيرين، ولكن عند النظر إليها من منظور العلم، فإنّ هناك الكثير من الأبحاث والدراسات التي لا يزال يتعين القيام بها لمعرفة هذا المفهوم بشكلٍ أفضل وأعمق.

الطفو لا يعني انعدام الوزن

ويبدو أنّ العكس صحيحٌ تقريبًا بالنسبة لمفهوم الوزن، هناك أشياءٌ قد تربكنا في البداية لكنها مفهومة جيدًا في الواقع، أحد تلك الأشياء هو الوزن في جسمٍ يطفو. ومع ذلك، فلا يمكن قياسه.

على سبيل المثال: بالون مملوء بالهيليوم، لن يسجل الميزان وزنًا له، لكن البالون والغاز الموجود بداخله والخيط لديهم كتلة. وقد تعلّمنا هنا على الأرض أن ذلك يعني وجود وزن، ولكن نظرًا لكثافته المنخفضة، يطفو البالون بعيدًا. فأين ذهب الوزن؟ الإجابة في كل مكان.

إذا كان هذا يحيرك، فلا تقلق، أنت لست وحدك هكذا.

المفهوم الذي نستكشفه هو “مبدأ أرخميدس” والذي ينصّ على: “يتعرّض الجسم الموجود في سائل لقوّة دفعٍ تساوي وزن السائل المُزاح”، وهذا هو مفهوم “الطفو”. فإنّ القوة الدافعة الناتجة عن تحريك السائل تتوازن أو تُعوّض بشكلٍ زائد عن الوزن، بحيث يطفو البالون أو كما هو الحال في طفو السفينة.

شخصيًا، لا يزال مثال البالون غامضًا بعض الشيء، ولكنّ التفكير في الطائرة يعيد الأمور إلى واقعها. قد يرفض عقلك أن يكون لدى البالون المليء بالهيليوم وزنًا حتى وهو يرتفع في السماء، لكن الطائرة هي جسمٌ معدني كبير لديه وزن على المدرج وسيكون لديه وزنٌ عندما يحلّق، ولكن لا يمكنك قياسه. وذلك لأن وزن الطائرة يُطبّق على الغلاف الجويّ، لذلك يُوزع الوزن على الكوكب بأكمله.

لذا، فالغلاف الجوي أصبح أثقل قليلاً منذ اخترعنا الطيران. كم هو ثقيل؟ بناءً على المتوسط ​​الكتلي للطائرة (بما في ذلك الدهان) والعدد المتوسط ​​للطائرات التي تحلّق في أيّ ثانية، فإن وزنها يساوي تقريبًا وزن ذبابتي فاكهة لكل مترٍ مربع. ومع ذلك، وكما تعلمنا، فإنّ هذه ليست كتلتها.