Hmotnost

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Fyzikální veličina Hmotnost je základní fyzikální veličina, která vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa (jeho odpor ke změně pohybu) a zároveň jeho schopnost vytvářet gravitační pole a podléhat mu. Je to vnitřní vlastnost hmoty a na rozdíl od váhy se nemění s místem, kde se objekt nachází (např. hmotnost člověka je stejná na Zemi i na Měsíci, zatímco jeho váha se liší).

Definice a typy hmotnosti

V klasické fyzice se rozlišují tři hlavní typy hmotnosti, které se považují za ekvivalentní:

Setrvačná hmotnost (Inertial mass)

Setrvačná hmotnost vyjadřuje míru odporu tělesa ke změně jeho pohybového stavu, tedy k zrychlení. Podle druhého Newtonova zákona platí $F = m \cdot a$, kde $F$ je síla působící na těleso, $m$ je jeho setrvačná hmotnost a $a$ je zrychlení, které síla vyvolá. Čím větší je setrvačná hmotnost, tím větší síla je potřeba k vyvolání stejného zrychlení.

Gravitační hmotnost (Gravitational mass)

Gravitační hmotnost má dva aspekty:

• Aktivní gravitační hmotnost: Určuje sílu gravitačního pole, které těleso vytváří. Čím větší je aktivní gravitační hmotnost, tím silnější je gravitační pole.
• Pasivní gravitační hmotnost: Určuje sílu, kterou těleso pociťuje v gravitačním poli jiného tělesa. Čím větší je pasivní gravitační hmotnost, tím větší gravitační síla na něj působí.

Principy obecné teorie relativity a princip ekvivalence předpokládají, že setrvačná a gravitační hmotnost jsou totožné.

Jednotky hmotnosti

Standardní jednotkou SI pro hmotnost je kilogram (kg). Další běžně používané jednotky zahrnují:

• Gram (g): $1\text{ g} = 0,001\text{ kg}$
• Tuna (t): $1\text{ t} = 1000\text{ kg}$
• Miligram (mg): $1\text{ mg} = 0,001\text{ g}$

V atomové a částicové fyzice se často používají jednotky jako atomová hmotnostní jednotka (u) nebo elektronvolty (eV), kde se hmota převádí na energii podle Einsteinovy rovnice $E=mc^2$.

Měření hmotnosti

Hmotnost se měří pomocí váhy nebo rovnoramenné váhy, která porovnává neznámou hmotnost se známými etalony (závažími). Tato metoda měří hmotnost porovnáváním gravitační síly působící na oba objekty. V beztížném stavu by bylo třeba použít setrvačný princip (např. zrychlení objektu známou silou).

Hmotnost a teorie relativity

V speciální teorii relativity Alberta Einsteina se rozlišuje mezi:

• Klidová hmotnost (invariantní hmotnost): Je vnitřní vlastností částice a je stejná pro všechny pozorovatele, bez ohledu na jejich rychlost. Je to hmotnost objektu v klidu.
• Relativistická hmotnost: Závisí na rychlosti objektu. Čím rychleji se objekt pohybuje, tím větší je jeho relativistická hmotnost. Tento koncept je však v moderní fyzice méně preferován a často se dává přednost konceptu klidové hmotnosti a hybnosti.

Nejznámější důsledek speciální relativity je rovnice E = mc², která ukazuje ekvivalenci energie a hmotnosti. Energie může být převedena na hmotnost a naopak.

Hmotnost v kvantové mechanice

V kvantové mechanice a Standardním modelu částic je původ hmotnosti složitější.

• Higgsův mechanismus: Většina hmotnosti elementárních částic (např. elektron, kvarky) je získána interakcí s Higgsůvým polem. Částice, které silně interagují s tímto polem, mají větší hmotnost.
• Vazebná energie: Většina hmotnosti složených částic, jako jsou protony a neutrony, nepochází z hmotnosti jejich kvarků, ale spíše z energie silné interakce (lepidla) mezi nimi. Podle $E=mc^2$ se tato energie projevuje jako dodatečná hmotnost.

Pro laiky

Představte si hmotnost jako množství "věcí" (materiálu) v nějakém objektu.

• Čím víc "věcí" v objektu je, tím je hmotnější. Když se snažíte pohnout s velkým kamenem a pak s malým kamínkem, ten velký je těžší pohnout, protože má větší hmotnost (a tím i větší setrvačnost).
• Důležité je, že hmotnost je jiná než váha. Vaše váha se mění podle toho, jak silně vás k sobě přitahuje planeta. Na Zemi vážíte jinak než na Měsíci, ale vaše hmotnost (množství "věcí" ve vašem těle) zůstává stejná.
• A Albert Einstein přišel na to, že hmotnost a energie jsou vlastně jedno a to samé, jen v jiné formě! To je to slavné $E=mc^2$. Takže když má něco hodně energie, má to i hodně hmotnosti.

Externí odkazy

• National Physical Laboratory (NPL) - Rozdíly mezi hmotností a váhou
• Khan Academy - Síla, hmotnost a zrychlení
• NASA Science - Dark Matter