Massa en gewicht: het verschil

Theo de Klerk stelde deze vraag op 11 oktober 2021 om 01:50.

 Het verschil tussen de begrippen en grootheden "massa" (een hoeveelheid materie, eenheid kilogram) en gewicht (een kracht, eenheid newton) blijkt vaak slecht begrepen en leidt tot allerlei misverstanden.

Hier een poging om dat misverstand te verhelpen. Daarbij gebruiken we voor de kracht die belangrijk is niet de zwaartekracht tussen massa's, maar een heel andere kracht: de elektrische kracht. We hadden ook elke andere kracht kunnen nemen - het misverstand steekt de kop op als we de zwaartekracht nemen omdat die massa en gewicht op voor velen verwarrende wijze koppelt.
Alvast 1 excuus: bijna alle vectorpijlen voor de krachten vallen over elkaar heen. Daardoor zijn ze moeilijk apart te zien. Vandaar dat ik ze naast elkaar getekend heb. Maar in werkelijkheid liggen we allemaal op 1 lijn.

Alles wat voor het onderstaande van belang is, is dat we 2 bollen hebben:

  • bol A met een massa mA en lading +1 C (coulomb)
  • bol B met een massa men lading -1 C
Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, dus er is een elektrische kracht tussen deze geladen bollen. De bollen bevinden zich ergens in de ruimte, ver weg van elke planeet of grote massa zodat de zwaartekracht op hun massa's vergeleken met de elektrische kracht verwaarloosd kan worden.

(over verwaarlozen: zie verwaarlozen of wegstrepen). 

We hebben dan een situatie als hieronder getekend. Bol A trekt  bol B aan en bol B trekt even hard bol A aan door de elektrische kracht (die je kan berekenen met de Wet van Coulomb, maar de grootte is voor het verhaal niet belangrijk - alleen dat er een kracht is). A en B oefenen die kracht op elkaar uit.  Beide krachten zijn in het licht van de 3e Wet van Newton een krachtenpaar.


Twee even grote krachten, maar tegengesteld in richting. De ene werkt op A en wordt door B veroorzaakt, de andere werkt op B en wordt door A veroorzaakt. Het zijn de rode vectorpijlen in de tekening.

Als er verder niks in het heelal is, dan zullen de bollen elkaar aantrekken, naar elkaar toe bewegen en uiteindelijk op elkaar botsen. (dan neutraliseren beide ladingen en hebben we een nieuwe bol met massa mA + mB).


Stel nu dat er een plank is, die we zo positioneren dat bol B er tegenaan ligt. De plank beweegt niet.
Bol A trekt nog steeds bol B aan, maar B kan niet bewegen: de plank verhindert dat.
B duwt op die plank door de elektrische kracht die bol A op hem uitoefent (rode vector). Die duwkracht is even groot als die elektrische kracht door A uitgeoefend. Die is in onderstaande tekening blauw getekend.
Hoewel gelijk groot en in dezelfde richting wijzend zijn het 2 verschillende krachten. De rode vectorkracht wordt door A uitgeoefend (op B), de blauwe vectorkracht door B (op de plank).

Het is bol B die duwt op de plank. Niet A. Die duwkracht van B noemen we het gewicht van B.

De plank beweegt niet en verhindert B te bewegen. Dat betekent dat op B een kracht moet werken die het gewicht tegenwerkt. Die kracht wordt door de plank uitgeoefend en noemen we de normaalkracht van de plank. Die kracht werkt op B en wordt door de plank veroorzaakt. Dit is de bruin-grijze vectorpijl in de tekening. 
Opnieuw hebben we een krachtenpaar, zoals hieronder getekend.

Welke krachten werken op bol B?  De elektrische kracht door A (rode vectorpijl naar beneden) en de normaalkracht van de plank (grijs-bruine vectorpijl omhoog).  In grootte zijn ze gelijk, dus op B werkt netto een kracht van 0 N. Dat wil zeggen dat volgens de 1e Wet van Newton bol B met vaste snelheid beweegt. Stilliggen (0 m/s) is ook een vaste snelheid.

In de tekening zie je 3 krachten, maar de blauwgekleurde kracht werkt niet op bol B maar wordt door bol B uitgeoefend. Voor de beweging van bol B is alleen van belang welke krachten OP bol B werken, niet welke DOOR bol B worden uitgeoefend.

Nu laten we de plank met een versnelling (die we "a" zullen noemen, getekend met een dunne groene vector) omhoog bewegen. Alsof het de bodem van een lift is.
Bedenk dat versnellingsvectoren niet bij krachtvectoren geteld kunnen worden. Zoals je ook appels en peren verschillende dingen zijn. Krachtvectoren en versnellingsvectoren hebben ook andere eenheden (de ene in N, de andere in m/s2).

Dat betekent dat bol B ook met dezelfde versnelling omhoog gaat (we nemen aan dat de plank stevig genoeg is en niet buigt of breekt). Bol B krijgt dus een versnelling gelijk aan  F = mB.a  .
Die kracht wordt extra geleverd door de plank. 
Nu is de totale kracht van de plank gelijk aan de kracht om de aantrekking door A tegen te gaan PLUS de kracht gelijk aan mBa. Die kracht is de vergrote normaalkracht van de plank op B.

Daarvoor geldt dan onderstaande tekening.

Bol B duwt nu nog harder op de plank: niet alleen door de aantrekkingskracht van bol A maar ook doordat de plank omhoog gaat, terwijl de trage bol niet wil bewegen maar moet en zich dit uit door een "traagheidskracht" naar beneden. Aangezien beide krachten door B op de plank worden uitgeoefend, ervaart de plank dat als 1 gezamelijke kracht van B: het verhoogde gewicht van B. In getalwaarde is het gewicht van B gelijk aan de elektrische kracht van A op B plus de vertragingskracht  mBa . 

Kijken we weer naar de totale kracht op B om te zien of B gaat bewegen, dan zien we dat de krachten op B gelijk zijn aan de aantrekkingskracht door A (rood, naar beneden) en de vergrote normaalkracht van de plank op B.  Als deze vectorieel worden opgeteld is er een resulterende kracht op B naar boven. B beweegt naar boven. De grootte van de resulterende kracht is mBa. 
Deze krachten zijn in de rechterfiguur getekend. De rode en grijs-bruine krachtvectoren werken op B.

Het krachtenpaar van gewicht van B en de normaalkracht van de plank is groter geworden, maar nog steeds even groot en tegengesteld. De normaalkracht werkt van de plank op B,  het gewicht van B werkt op de plank.







Als je nu de elektrische ladingen op A en B vervangt door grote massa's die elkaar merkbaar aantrekken (zoals jezelf door de aardse massa wordt aangetrokken), dan kun je precies hetzelfde verhaal vertellen.

Uit bovenstaande is hopelijk duidelijk geworden dat:

  • zwaartekracht (gravitatie) een kracht is tussen massa's
  • gewicht een kracht is die een massa uitoefent op een vlak (of vloer) waarop het ligt. Die kracht kan door elke oorzaak ontstaan: gravitatie, maar ook elektrische, magnetische of andere krachten. Welke die oorzaak is, is voor gewicht niet van belang
  • als dat vlak beweegt, verandert de kracht waarmee de massa op dat vlak drukt. En daarmee het gewicht.  De zwaartekracht blijft ongewijzigd.



Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft elf appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)