Gyorskeresés

Súlyos kérdőjelek a súly körül 855

A súly fogalma alatt sok országban a testre ható nehézségi erőt (vagy még egyszerűbben a testre ható gravitációs erőt) értik. Magyarországon a súly definciója az 1960-as évek óta ettől eltér:

A súly az az erő, amivel a test nyomja az alátámasztását és/vagy húzza a felfüggesztését.

Miért változtatták meg? Jurij Gagarin szemályáben 1961-ben került először hosszú időre (másfél órára) egy ember súlytalanság állapotában, amikor a Vosztok-1 űrhajóban megkerülte a Földet. Ekkortól a hétköznapi nyelvhasználatban terjedni kezdett a súlytalanság kifejezés. Ugyan odáig is lehetett súlytalanság állapotába kerülni, itt, a földfelszínen is, de csak rövid, pár másodperces időtartamokra, amíg szabadesését végez az ember, például amíg a talajról felugorva a levegőben vagyunk, vagy futás közben amíg egyik lábunk sem éri a talajt. A szabadesés lényege, hogy egyedül a nehézségi erő hat ránk, emiatt ilyenkor a gyorsulásunk mindig a nehézségi erő irányába mutat. 

A hagyományos súly fogalma a súlytalanság fogalmával ellentmondásban áll, hiszen az úrhajóban lévő űrhajósok nem azért vannak súlytalanságban, mert hogy nem vonzaná őket a Föld gravitációja. A földfelszíni emberek \(6370\ \mathrm{km}\) távolságban vannak a Föld tömegközéppontjától, míg a Nemzetközi Űrállomás (International Space Station, ISS) űrhajósai a földfelszíntől mért \(\approx 400\ \mathrm{km}\) keringési magasságuk miatt \(\approx 6770\ \mathrm{km}\) távolságban, tehát csupán 6%-kal messzebb vannak, ami az

\[F_{\mathrm{gr}}=f\frac{m_1\cdot m_2}{r^2}\]

Newton-féle gravitációs törvény alapján csupán 11,5%-kal gyengébb gravitációs vonzást jelent "a lentiekhez" képest. A majdnem ugyanakkora gravitációs vonzás hatására az űrhajósok is szabadon esnek, csak a hatalmas vízszintes kezdősebességük (ami \(\displaystyle \approx 28\ 000\ \mathrm{\frac{km}{h}}\) nagyságú) miatt nem függőlegesen, egyenesen a Föld középpontja felé zuhannak, mint egy elejtett kavics, hanem íves pályán "körbezuhanják" a Földet.

A súly hagyományos definíciója és a súlytalanság között fennálló ellentmondás miatt kezdeményezte Párkányi László (a képen) magyar fizika tanár a súly definíciójának megváltoztatását, amiről végül sikerült is meggyőznie a magyarországi fizikus, fizika tanár szakmát. Akkor úgy vélték, a világ követni fogja a magyarok példáját, és idővel mindenhol áttérnek a súly ilyen fogalmára. Ez azonban nem következett be (de nem amiatt, mert "hülyeség" lett volna a magyar irányvonal, hanem mert az emberek viszonylag erősen hajlamosak ragaszkodni a megszokásaikhoz).

Mindegyik súlyfogalommal együtt járnak valamilyen nehézségek, kellemetlenségek. Magyarországon, ahol nemzetközi perspektívából nézve unortodox súlydefiníció van, szakmai körökben nem ritka az a nézet, miszerint az egész súlyfogalomra egyáltalán nincs is szükség, a súly körüli mizéria helyett elég lenne alaposan megtanítani a kényszererők fogalmát. Mert hogy - mondják - a súly semmivel sem több, mint egy külön névvel ellátott kényszererő. Csakhogy nem is kényszererő, hanem a testre ható kényszererőnek az ellenereje... Na, ez máris nem annyira egyszerű. A netfizika álláspontja szerint amíg a magyarországi érettségi követelmények tartalmazzák a súly fenti fogalmát, addig nem kérdés, hogy tanítsuk-e, másrész szép szellemi kaland körbejárni, kivesézni ezt a témát.

A nehézségi erővel azonosított (külföldi) súly definíciónak is, és a magyar súly definíciónak is vannak előnyei, hátrányai. Vegyük sorra, hogy itt, a magyar ugaron a szotyisztáni súlyfogalmunknak milyen előnyei és hátrányai vannak a külföldi (nehézségi erőt súlynak nevező) verzióval összevetve!
 

 Előnyök 

  • Minden mérleg erőt mér, méghozzá azt az erőt, amivel a mért test nyomja a mérleget, vagyis a (magyar definíció szerinti) súlyát. Így a magyar súly definíció egy mérhető mennyiséget definiál, ami a tudományban egy fizikai mennyiséggel kapcsolatban kívánatos dolog. Ezen felül további, mérleggel kapcsolatos tapasztalatokkal is összhangban van. Ha - az egyszerű eset felől a bonyolult felé haladva - a mérlegre teszünk egy testet (ekkor a mérleg mutat egy értéket), azután az ujjunkkal felülről kifejtünk egy függőleges nyomóerőt a testre, ilyenkor a testre ható nehézségi erő semmit nem változik, de a mérleg az előzőnél nagyobb értéket fog mutatni. Összehangban azzal, hogy a test most nagyobb erővel nyomja a mérleget (nagyobb a súlya), mint eredetileg. Ehhez hasonlóan ha egy mérlegen lévő mondjuk $5\ \mathrm{kg}$‑os nehezéket (ami nyugalomban $50\ \mathrm{N}$‑nal nyomja a mérleget) egy kötél segítségével kissé húzunk felfelé mondjuk $20\ \mathrm{N}$‑os erővel, akkor a nehezék továbbra is nyugalomban lesz a mérlegen, de a mérleg már csak $30\ \mathrm{N}$‑os erőt érzékel és mutat. A nehezék tömege és a rá ható nehézségi erő semmit sem változott, viszont a nehezék által a mérlegre kifejett nyomóerő lecsökkent, vagyis lecsökkent a nehezék súlya.
     
  • A súlytalanság fogalma koherensen a magyar súlyfogalommal. Viszont a súlytalanság fogalma értelmetlen, amikor a súly azonos a nehézségi erővel vagy a gravitációs erővel, hiszen a súlytalanság állapotában ezek az erők leggyakrabban nem csökkennek nullára. Sem Földön vákuumcsőven zuhanó test esetén, sem a Nemzetközi Űrállomáson. A súlytalanságot 20-30 másodpercre előállító ZERO-G repülőgéprekre alkalmazott angol "zero g" elnevezés (főleg a teljes "zero gravity" elnevezés) is némileg képzavar, hiszen ilyenkor sem a gravitációs vonzóerő, sem a "g" nehézségi gyorsulás nem lesz zéró a súlytalanság időszakai alatt. A "zero g" elnevezésnek az ad értelmet, hogy angol nyelvterületen "g-force" névvel illetik a testre ható felületi erőket. Ilyen például egy álló ember esetében a talaj által a z ember cipőtalpára kifejtett tartóerő, vagy a repülőgépben normál módon utazó az emberre az ülés (valamint a biztonsági övek) által kifejtett nyomóerő(k). A felületi erőket fontos megkülönböztetni az ún. tömegerőktől, amilyen például a gravitációs erő vagy a nehézségi erő, ezek ugyanis nem a test egy felületére hatnak, hanem annak minden egyes atomjára. Ebben a szóhasználatban súlytalanság esetén a g-force erők azaz a felületi erők nullák, ezzel értelmet nyer a "zero g" elnevezés.
     
  • Az Arkhimédesz-törvény mondókája úgy fogalmaz, hogy "minden vízbe mártott test, a súlyából annyit veszt". Vízbe mártáskor a testre ható nehézségi erő nem csökkan, így a külföldi súlydefinícióval ellentmondásban áll ez a mondóka. De a magyar súlyfogalommal összhangban van, hiszen a test által a felfüggesztésre kifejtett erő (a magyar súly) vízbe mártáskor tényleg csökken, méghozzá pont a kiszorított víz súlyával. A fizikai törvények mondókáskon keresztüli tanítása manapság - furcsa mód - nem elterjedt, annak ellenére, hogy a posztmodern pedagógia szerint fontos az élményszerűség, a játékosség. 
     
  • A súlyadó (gépjárművek saját tömege alapján fizetendő adó) fogalommal is összhangban van a magyar súlyfogalom. A súlyadó nem a Föld bolygót adóztatta, amiért az nehézségi erőt fejt ki a gépjárművekre, hanem azt az effektust, hogy a gépjármű nyomóerőt fejt ki az útra, amitől az út deformálódik, elhasználódik, összerepedezik, így idővel költséges felújításra szorul. Na persze ha precízebbek akarunk lenni, akkor az út amortizációjában nem csak a nyomóerő számít, hanem annak a felületnek a nagysága is, amekkora felületen a nyomóerő hat. Ugyanis a hatása szétoszlik az érintkezési felületen, ez a nyomás. Ezért a súlyadót pontosabb lett volna "nyomásadó"-nak nevezni. De mielőtt ezen sokat vitázhattunk volna, a súlyadót személygépjárművek esetén 2007-től felváltotta a teljesítmény alapján fizetendő géjárműadó (teherautók után továbbra is fizetendő maradt).
     
  • A magyar súlyfogalommal könnyen, szemléletesen lehet megmagyarázni azt a jól ismert jelenséget, hogy ha egy liftben mérlegre állunk, akkor a mérleg a lift felfelé (lefelé) gyorsulásakor miért mutat alattunk nagyobb (kisebb) értéket, mint nyugalomban. Ha a súly a nehézségi erővel azonos lenne, akkor a jelenség magyarázatához az $m\cdot g$ nehézségi erőnek meg kellett változnia, ehhez pedig vagy a liften álló ember tömegének kellett volna megváltoznia, vagy pedig a $g=10\ \displaystyle \mathrm{{{m}\over {\ s^2}}}$ nehézségi gyorsulásnak, pedig nyilván egyik sem változik meg a lift gyorsuló mozgása miatt. De az az erő, amivel az ember nyomja az alatta lévő padlót vagy mérleget, ez az erő megváltozik.



 

  • magyar súlyfogalom az olyan, hétköznapi és szemléletes szóhasználatokkal is összhangban van, mint "teljes súlyával ránehezedik" vagy a "saját súlyánál fogva nyomja".
     

 Hátrányok 

  • Vannak, akik számára zavaró, hogy egy test súlya, mint erő, a magyar rendszerben nem az adott testre hat. Miért "baj" ez? Mert amikor vizsgálat alá vonunk egy testet, olyankor mindig a vizsgált testre ható erőket vesszük számításba, hiszen azok határozzák meg a test mozgását, pontosabban a gyorsulását, így a súly egy olyan "haszontalan erő", ami sosem szerepel a testre ható erők között, amikor felírjuk a testre a dinamika alapegyenletét.
     
  • A magyar súlydefinícióban szereplő "alátámasztást vagy felfüggesztést" utalás nem teljesen egyértelmű. Lehetséges, hogy egy test egyszerre nyomja is az alátámasztást, és húzza is a felfüggsztést (lásd az alábbi ábrát). Ilyenkor a súly vajon a fenti két erő összege, vagy csak az egyik, például a rugón (rugós erőmérőn) leolvasható érték?

  • Nem egyértelmű, hogy a "nyomja az alátámasztást vagy húzza a felfüggesztést" kifejezés vonatkozik-e arra, amikor a test folyadékba/gázba merül, és egymásra erőket fejtenek ki (mármint a folyadék/gáz hidrosztatikai felhajtóerőt a testre). Például egy hajó a víz felszínén úszva lefelé irányuló erőt fejt ki a vízre. Ezt "szabad súlynak hívni"? A víz tetején nyugalomban úszó testek van súlya? 


  • Ha az úszó test által a vízre kifejtett lefelé irányuló erőt nem nevezhetjük súlynak, akkor az egy önkényes gondolat, hogy a "nyomja az alátámasztást" kifejezés folyadék/gáz esetében MÉGSEM súly, ahogy máskülönben igen. Ha viszont ennek elkerülése érdekében úgy döntünk, hogy nevezhetjük súlynak, akkor meg ellentmondásra jutunk a szokásainkkal: a Mohr-Westphal-féle folyadéksűrűség-mérő műszer használatánál, a műszer üvegtestjének súlyát érzékeny mérleggel lemérjük, méghozzá először levegőben lógva, majd az ismeretlen folyadékba merülve. A folyadék által az üvegtömbre kifejtett felhajtóerő hatására a mérleg a második esetben kisebb értéket mutat, ezt "súlycsökkenés"-nek hívjuk. Pedig csak a felfüggesztésnél ébredő csökken.


  • Mozgó test esetében a test által az alátámasztásra kifejtett nyomóerőt nem szokás súlynak nevezni, pedig fizikai szempontból nem különbözik a nyugvó test által kifejtett nyomóerőtől. Akár egyenletes mozgást végez a test, akár gyorsulót. Ehhez hasonóan ha az alátámasztás nem vízszintes, akkor sem szokás súlyról beszélni (például egy lejtőn lecsúszó test esetén), tehát lejtőn lecsúszó testnél nem szokás súlycsökkenésről beszélni, hiába fejt ki kisebb merőleges nyomóerőt a test a lejtőre, mint vízszintes estben az alátámasztásra.
     
  • A magyar súlyfogalom szerint egy adott test súlya nulla és végtelen között bármekkora lehet, a körülmények függvényében. Például a liftben álló ember súlya felfelé elinduláskor nagyobb, lefelé elinduláskor pedig kisebb, mint nyugalmi állapotban. A hétköznapi életben viszont használunk olyan kifejezést, hogy "súlyos", túlsúlyos" vagy "nagy a súlya". Vagyis a hétköznapi szóhasználatban a nagy tömeg mindenképpen nagy súllyal is jár, szemben a magyar súlyfogalommal. A magyar súlydefiníció alapján a túlsúlyos embernek mindjárt csökkennek a súlyproblémái, amint liftbe lép, és lefelé elindul.