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¿Que es la masa en física? Sus diferencias, formulas, ejemplos, tipos y medición

Un profesor me dijo una vez que el mejor concepto de una propiedad física es su forma de medición. Siguiendo este concepto, debemos ver como medimos la masa.

¿A quien no se le ah ocurrido pesarse alguna vez para ver cuantos kilos a bajado o subido? . Perdón, pero ¿peso es lo mismo que masa?. Siempre pensé y escuche en las escuelas al profesor decir: «El peso de un objeto…» y «La masa de un objeto… «. Luego leía en mi libro de Física, definiciones completamente distintas de la forma en que se emplean estas palabras, muchas de las cuales las definen de la misma manera. ¿Que hay de incorrecto en esto?
¿Porque debería importarme el peso, si yo solo busco la masa?  Las pizzerías dicen que tienen el ingrediente secreto. ¿Sera que ellos tienen el secreto de la masa?.

Para tener en cuenta que es exactamente la masa y como la medimos. Debemos  primero entender sus propiedades y naturaleza.

Cuando nos subimos a una báscula, nos guste o no, esta registra tu peso. Esto es debido a que la fuerza gravitacional de la tierra te atrae con una fuerza especifica de acorde a tu composición física. Esto ocurre por la simple razón que tanto como la tierra y usted poseen masa.

¿Que es la masa en física?

Tratar de definir que es la masa en física, es algo mucho mas complejo que echar tomates, peperoni y piña sobre una masa y llevarla al horno. Pero lo explicaremos de la manera mas clara posible.

La masa en física es una propiedad de la materia que nos indica cuanta fuerza necesitamos para modificar la velocidad de un objeto. Esto podría describir a una masa inercial. Los cuerpos que acumulan una gran cantidad de átomos ocupan mas espacio, consecuentemente tienen una masa mas grande, lo que las hace mas difícil de aumentar su velocidad o cambiar su  trayectoria.

La masa es también una propiedad de la ley gravitacional. Ademas nos indica la proporción de fuerza que atrae a varios objetos con una masa especifica. Esto lo llamamos masa gravitacional o masa en movimiento. A  mayor masa, mayor fuerza de gravedad.

En cuanto a relación de la masa con la teoría de la Relatividad, la masa inercial es la misma que la masa gravitacional. Esto debido a la invariabilidad de la energía contenida en la masa. Ya que ambas son equivalentes, la masa no puede variar en ningún lugar del cosmos. Esto sera explicado mas adelante, en las diferencias entre la masa y el peso.

Para entender mas fácilmente  como definimos la masa antes de pasar a ver sus mediciones. Estos son algunos conceptos de expertos en física:

«Veo a la masa de la manera en que esos átomos pueden producir una cantidad especifica de espacio y cuanto se pueden comprimir en ese espacio. Si nos decidimos en introducir energía en estos átomos, se producirá  mas espacio, por lo que resultara en un aumento de masa. Dar paso a la creación de espacio entre los átomos es parte del proceso de gravedad o fuerza de gravedad. Si los átomos que componen el objeto poseen mayor cantidad de neutrones o protones, se pueden producir un aumento en la cantidad del espacio. La respuesta es simple: Cuanto mas espacio y mas comprimido estén los átomos, abra mayor gravedad.»

«La masa en física, es el potencial gravitacional que alberga toda una colección de átomos en su campo de acción. En otras palabras, si decidimos pesar algún objeto dentro de la tierra y después lo dividimos por la gravedad de este objeto hacia la tierra(9.8/s2), obtendremos la masa.  Si tomamos el mismo objeto y lo pesamos en la Luna, luego lo dividimos por la aceleración de la gravedad de la Luna , obtendremos la misma masa.»

«La masa es una medición de cuanta materia o átomos hay dentro de un objeto. Me gusta pensar que existen muchas otras cosas dentro de otras. Algo fácil, lo se, pero me funciona.

La masa en física, se determina de diferentes maneras en cuanto a la cantidad de esta.  Los mas utilizados son dos, la masa inercial y la masa gravitacional.

Masa inercial: La masa inercial se determina según la resistencia del objeto a la aceleración al que esta siendo expuesto. Veamos en siguiente ejemplo: Si empujamos dos objetos que poseen las mismas características con la misma fuerza, el objeto que tenga una menor masa se acelerara mas rápido que el otro.

Masa gravitacional: La masa gravitacional es una medida de la fuerza de gravedad de un objeto sobre otros objetos. Algo común entre las personas es confundir la masa con el peso. El peso es diferente a la masa. El peso es una medida de fuerza gravitacional que se ejerce sobre un objeto. Por otro lado, la masa de este objeto siempre tendrá la misma masa en otros planetas o espacios fuera de la Tierra.»

La pregunta es: ¿Por que la cantidad de las cosas y objetivos que componen la masa siempre es la misma?. Es por la energía.  La ecuación es la siguiente: E=mc2

Donde E es igual a la energía de la masa, por la velocidad de la luz al cuadrado. Esta ecuación nos dice que, desde la perspectiva de la gravedad, la energía y la masa son equivalentes.

En palabras de Albert Einstein: «La masa de un cuerpo es una medida de su contenido de energía.»

 

Debemos entender que la masa es una propiedad ligada a la energía. No podemos tratar de entender y definir la masa, si no tenemos en cuenta a la energía que hay en la masa del objeto.

La masa puede ser transformada en energía, un ejemplo es la electricidad obtenida por la materia. Y por equivalencia la energía puede ser transforma en masa. En este punto, imaginemos lo sorprendente que seria poder transformar la energía en objetos.

La masa cambia las características del espacio – tiempo.  Si presenciamos a un objeto con una masa especifica que se dirige a alta velocidad, el espacio-tiempo sera distinto para otro objeto que se encuentre a lo lejos.

¿Podemos convertir la energía en masa, es posible en la actualidad ?

Sabemos que la masa puede ser transformada en energía. Pero transformar la energía en masa. ¿ Es eso posible?. Según la ecuación de Albert Eintein si es posible por esta ecuación:  E = m·c²

Entendimos que al desintegrar la materia podíamos hacernos de grandes cantidades de energía. Fue así que pudimos entrar a la era nuclear. Hasta la actualidad, hemos podido domina en ciclo de la reacción nuclear tanto de fisión como fusión. Se inventaron los distintos tipos de bombas nucleares, termonucleares, bombas de fisión. bombas de hidrógeno, etc. Para aplicaciones beneficiosas, solo la enegia de fisión es viable actualmente.

Para obtener energía, unos gramos de materia desintegrada produciría millones de kilovatios por hora. Esto se resume a encender una bombilla durante 25800 años.

Muy al contrario, para transformar la energía en materia. Necesitamos una cantidad inmensa de energía para poder obtener al menos un foton gamma. En la actualidad es posible obtener partículas subatómicas, pero solo a nivel experimental y científico. Obtener un gramo de materia requeriría grandes cantidades de energía, que quizás no disponemos en la tierra.

Sabemos que la materia en el Universo se origino a partir de la energía. ¿Pero que energía, de un Dios, de un big bang?. Los científicos y religiones tienen sus diferencias, pero se encuentran en los inicios de la vida.

La energía no se crea ni se destruye, si no que se trasforma, considerando siempre que la masa es una forma de energía. Podemos convertir la energía mecánica en fuentes de calor, pero no podemos transformar la fuentes de calor en energía mecánica sin violar la ley de la termodinámica.

 

La diferencia entre masa y peso

Tenemos claro que la masa es una propiedad de la materia, diferente al peso. El peso es la velocidad que la fuerza gravitacional ejerce sobre una masa. La masa es una propiedad intrínseca de un objeto, esto nos indica que es propio de cada materia y permanece igual, independientemente del lugar donde se encuentre. El peso a diferencia de la masa, depende del lugar donde se encuentre.

Un ejemplo para diferenciar la masa del peso, es que si ubicamos un cuerpo en Jupiter, este seria mas pesado que en la Tierra. Las diferencias mas básicas entre la masa y el peso son:

  • Masa: La masa es la cantidad de átomos contenidos en un cuerpo. Mientras mas átomos, mayor presión y espacio.

La masa de un cuerpo es constante y no cambia según el lugar o oposición donde se encuentre.

  • Peso: El peso es la fuerza ejercida por la energía de un cuerpo cuando se encuentra en un campo gravitacional.

El peso es variable según el lugar y la posición donde se encuentre. Puede variar dependiendo de la fuerza de gravedad.

Principales Diferencias

Masa

Peso

Concepto La masa es una medición de cuanta materia o átomos hay dentro de un objeto. Permanece igual independientemente de su ubicación y posición. El peso es la velocidad con la que un objeto es atraído por la fuerza de gravedad.  El peso depende de la masa o cantidad de energia que ejercen los átomos que la componen.
Fuerza gravitacional La masa permanece igual. El peso varia dependiendo de la fuerza de gravedad a la que esta sujeto.
Unidad de medida La masa se expresa en : gramos. libras, onzas, kilogrramos, etc.  Dependiendo de la medida y sistema. El peso se expresa en Newtons. También podemos expresarla en kilos de fuerzas. No debemos confundir la unidad de masa que se puede medir en kilos con unidades de peso.
Aparatos para su medición La masa se puede medir por medio de balanzas de masa, palancas, etc. El peso se mide por medio de balanzas o basculas.

 

En la segunda ley de Newton se hace uso de la conversión entre masa y peso o fuerza. La ecuación que se expresa es la siguiente:

Mas sobre  ¿Que es realmente el Taquión?

  F=m.a      (peso= masa x 9.8/s2)

Donde F es la fuerza gravitacional o el peso. La  masa es el objeto y la aceleración es ejercida por la gravedad de la tierra(9.8m/s2 ). Para entender mas sobre la segunda ley de Newton y la ecuación, conversión de masa y peso puedes seguir la explicación de la segunda ley de Newton.

¿Cuánto pesas en otros planetas?

Sabemos que el peso varia dependiendo de la fuerza de gravedad. La masa por el contrario no cambia en otras partes del sistema Solar. Para calcular la gravedad de otros planetas o cuerpos, no solo depende de la masa , si no de cuan alejado este del centro gravitacional.

Otros cuerpos celestes, tienen fuerza de gravedad muy diferentes al de la Tierra. En nuestro planeta por ejemplo, el peso es ligeramente mas bajo cuando estamos en la cima de una montaña que mas cerca del mar. El efecto es aun mas notorio cuando nos situamos en la superficie del Sol. En planetas como Jupiter donde la masa es 316 veces mas grande que la Tierra, podríamos no pesar 316 mas que aqui. La especie de superficie que cubre algunos planetas se encuentran un poco alejados del centro de gravedad, lo muchas veces haría que pesos un poco menos de lo que debería pesar un objeto sobre su superficie.

El peso relativo entre los planetas

Si pisamos la Luna, registraríamos una fracción menor de nuestro peso en la Tierra. Alrededor de un sexto para ser mas exactos, una buena manera de perder peso.

El peso de la Luna es menor porque la masa lunar es menor que de la tierra. Perder alrededor del 84% de nuestro peso tan solo por bolar a la Luna, no es algo esperado para muchas personas.

A continuación se enumera los pesos de las masas en las superficies de los cuerpos celestes dentro del Sistema Solar. Debemos saber que los pesos son relativos al peso que hay en la tierra.

Planeta Múltiple por la gravedad de la Tierra      Gravedad en su superficie  (m/s 2 )
SOL 27,90 274,1
MERCURIO    0.3770 3.703
VENUS 0,9032 8.872
TIERRA 1 (base de la gravedad) 9.8226
LUNA 0,165 1.625
MARTE 0.3895 3.728
JUPITER 2.640 25,93
SATURNO 1.139 11,19
URANO 0.917 9.01
NEPTUNO 1.148 11,28

Podría sorprendernos la gravedad que existe en otros planetas. Una personas puede que pese casi lo mismo en Venus, debido a que su tamaño y masa es ligeramente similar al de la Tierra. Puede parecernos raro que pese menos  que un gigante como Urano. Nuestro peso seria mas alto en planetas como Neptuno o Saturno. Mercurio es mas pequeño que Marte, pero nos da la idea de que el peso seria lo mismo.

En cuanto al Sol, este astro gigante, es mas masivo que cualquier otro cuerpo. Aunque una persona «solo»pesaría casi 28 veces su peso en la Tierra. Una persona promedio de 80 kilos, pesaría en la superficie del Sol, 2240 kilos.

Imagínate poder caminar con mas de 2 toneladas en el cuerpo. supongamos que ese fuera el menor de nuestros problemas, al llegar a la superficie moriríamos por el calor masivo y otras radiaciones. Incluso si el Sol fuera una estrella fría, la gravedad seria mortal para cualquier humano.

¿Cual es la formula para la medición de la masa en la física?

Exactamente  no existe una formula o ecuación especifica para definir la masa.  La masa es una de las tres propiedades indefinidas de la fuerza; masa, longitud y tiempo. La gran mayoría de propiedades tienen sus definiciones, pero la masa, longitud y tiempo son medidas que pueden ser proporcionales a otras.

La masa es una propiedad física sin definición especifica. Como lo vimos mas arriba, esta puede expresarse como una equivalencia de la fuerza con la que es atraído, en este caso la gravedad.

La ecuación : F= m.a , define a la fuerza, pero la gravedad puede ser equivalente a esta. Definir a la masa en una ecuación es darle una equivalencia de otras propiedades como la fuerza o aceleración.

Según la segunda ley de Newton para calcular la masa por equivalencia, la ecuación sera la siguiente :

           F = masa * aceleración

Deducimos entonces :       Masa = Fuerza / aceleración           ( m = f/a)

Teniendo esta ecuación. Si conocemos la Fuerza y Aceleración de un cuerpo, podemos hallar la su masa.

La fuerza se mide  en N ((newton) y la aceleración A, se mide en m/s2(metros por segundo al cuadrado).

Como ya sabemos cual es la ecuación para obtener un equivalente a la masa. podemos también obtener la masa a partir del volumen y densidad de un objeto.  Esta es la segunda forma de la ecuación equivalente a una masa:

Volumen = masa / densidad  ( V=m/d)

Entonces :  Masa = volumen * densidad    ( M=v.d)

Estas son las dos maneras para calcular la masa de un cuerpo. La primera es a partir de la segunda ley de Newton y la otra forma de hallarla es conociendo su volumen y densidad.

 

Masa absoluta o unificada

Unificar la masa inercial y gravitacional a partir de sus equivalencias por la fuerza de gravedad, fue algo propio de Albert Einstein. El principio nos dice que la masa en movimiento y la masa inerte o sin movimiento son lo mismo y no cambian dependiendo del lugar donde se encuentre.

Einstein siempre iba mas halla de afirmar tal cosa y plasmarlo en una realidad ecuacional. Sus ecuaciones especificaban que las masa en forma de curvas, espacian y deformaban el tiempo. Esto lo podemos apreciar en su teoría de la Relatividad, donde nos muestra como un cuerpo con masa puede dirigirse en una velocidad ascendente hacia una dirección, alterando el tiempo que existe alrededor del objeto.

El significado de estas ecuaciones gravitacionales es algo poco menos que simple: la masa deforma el espacio – tiempo y el espacio – tiempo mueve a la masa.  Si alguna vez has tirado una moneda que baje en forma de espiral por un pozo de los deseos en forma de embudo, creo que te puedes hacer una idea de lo que estoy hablando.

Segun Einstein, la Tierra órbita alrededor del Sol, porque esta estrella genera una forma de campo gravitacional similar a un embudo dentro de la estructura del espacio-tiempo. Asimismo la tierra gira de la misma forma que la moneda en espiral dentro del pozo de los deseos.

Si partimos desde el punto de que sin la masa la gravedad no existiría, o al menos gran parte de ella. La Tierra volaría inmediatamente si el Sol no tuviera masa o campo gravitacional. En el caso que la Tierra no tuviera masa, no se vería afectada por la gravedad del sol y volaría en linea recta. Esto y mas se explica en la teoría de Relatividad.

Investigando la masa

Los cuerpos y la Tierra, están compuestos de muchos átomos que varían unos del otro. La mayor parte de esta masa, estan compuestos de nucleones, que son protones, neutrones y los electrones. Estos últimos son mas de 2 mil veces mas livianos que los nucleones, siendo poco relevantes en la masa. la mayor parte de átomos son los protones y neutrones.

Los protones y neutrones de una masa, se almacenan en el gluón, la estructura que los mantienen unidos. Esta unión, es la que da la fuerza y energía a la mayor parte de la masa o cuerpo sostenida en los protones, neutrones, hidrógeno y otro átomo.

¿Sin masa no hay gravedad?

Esa es una afirmación relativamente cierta. Solo unos cuantas partículas pequeñas pueden estar sujetas a la gravedad sin poseer masa.

El fotón es uno de estas partículas. Según las leyes mas profunda de la física, la simetría de calibre nos dice, que las partículas portadoras de fuerza posean masa alguna.

No obstante, el fotón es atraído por el campo gravitacional del Sol. Las observaciones indican que que si vemos una galaxia ubicada detrás del Sol, esta se reflejara a ambos lados. Veremos esta galaxia por delante y detrás del Sol.

Sabemos que el campo gravitacional del Sol dobla la luz, algo demostrable que afirma la teoría de la Relatividad.

La luz interacciona con los campos de gravedad por la ecuación E = mc 2 . Esta definición nos indica que la energía y la masa son equivalentes desde una perspectiva gravitacional.

Un fotón, aunque no posee masa, transporta una pequeña cantidad de energía, por lo que es atraído por el campo de gravedad del Sol.

Entender que la energía gravita es de importancia, ya que la mayor parte de la masa contenida en los cuerpos, es energía.

Entonces, debemos deducir que ahora sabemos muchas cosas sobre la masa ¿no?. Quizás la respuesta sea negativa. El universo contiene una masa inmensa, de la cual solo el 5% es materia o masa entendible. Si es que realmente la hemos entendido.

Aproximadamente el 68% de  la masa del Universo es energia oscura. La materia oscura constituye el otro 27%, dejando a la materia normal que conocemos solo en 5% del cosmos que nos rodea.

Hasta ahora desconocemos gran parte de la masa del cosmos, pero debemos seguir investigando. Hay un largo camino por descubrir sobre la masa, quizás eso lo sabremos hasta llegar al tercer milenio.

 

Consultar:  Ultima edición. 5 junio 2019

https://physics.stackexchange.com/questions/43195/what-is-the-difference-between-weight-and-mass

https://www.thoughtco.com/mass-and-weight-differences-606116

https://www.xatakaciencia.com/fisica/se-puede-convertir-energia-en-materia