重さ

科学や工学では、物体の重さは、その物体の周囲の他の物体によって物体に及ぼされる重力に関連する量であるが、その正確な定義については多少のばらつきや議論がある。 ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

標準的な教科書の中には^{[ 4 ]、}重さをベクトル量、つまり物体に作用する重力と定義しているものもある。他の教科書^{[ 5 ] [ 6 ]}では、重さをスカラー量、つまり重力の大きさと定義している。また別の教科書^{[ 7 ]}では、重さを重力の影響に対抗するメカニズムによって物体に及ぼされる反作用力の大きさと定義している。つまり、重さは、例えばばねばかりで測定される量である。したがって、自由落下状態では、重さはゼロになる。この意味での重さでは、地上の物体は無重力になり得る。つまり、空気抵抗を無視すれば、アイザック・ニュートンの近くの地面に落ちる途中の木から落ちた伝説のリンゴ^{[ 8 ]}は無重力だったと言えるだろう。

重さの測定単位は力であり、国際単位系（SI）ではニュートンです。^{[ 1 ]}例えば、質量が1キログラムの物体は、地球の表面では約9.8ニュートンの重さですが、月面ではその約6分の1の重さになります。重さと質量は科学的には異なる量ですが、日常的な使用ではこれらの用語が混同されることがよくあります（例えば、ポンド単位の力の重さをキログラム単位の質量と比較したり変換したりする場合など）。^{[ 9 ]}

重さのさまざまな概念を解明する上でのさらなる複雑さは、重力が時空の曲率の結果としてモデル化される相対性理論に関係している。教育界では、生徒に重さをどのように定義するかについて、半世紀以上にわたってかなりの議論が続いてきた。現状では、複数の概念が共存し、さまざまな文脈で使用されている。^{[ 2 ]}

重さ（重量）と軽さ（軽さ）の概念についての議論は、古代ギリシャの哲学者にまで遡ります。これらは通常、物体の固有の性質として捉えられていました。プラトンは、重さを物体が同種のものを求める自然な傾向として説明しました。アリストテレスにとって、重さと軽さは、空気、土、火、水という基本要素の自然な秩序を回復しようとする傾向を表していました。彼は土に絶対的な重さを、火に絶対的な軽さを帰しました。アルキメデスは、重さを浮力に反対する性質と見なし、この2つの対立が物体が沈むか浮くかを決定すると考えました。重さの最初の操作的定義はユークリッドによって与えられ、彼は重さを「天秤で測定される、あるものと別のものを比較した重さまたは軽さ」と定義しました。^{[ 2 ]}しかし、操作的な天秤（定義ではなく）は、それよりもずっと以前から存在していました。^{[ 10 ]}

アリストテレスによれば、物体の落下運動の直接の原因は重さであり、落下する物体の速度は物体の重さに正比例すると考えられていた。中世の学者たちは、実際には落下する物体の速度は時間とともに増加することを発見し、この因果関係を維持するために重さの概念を変更する必要が生じた。重さは、一定のままである「静止重量」またはpondusと、物体が落下するにつれて変化する実際の重力またはgravitasに分けられた。gravitasの概念は最終的に、運動量の前身であるジャン・ブリダンのimpetusに取って代わられた。^{[ 2 ]}

コペルニクスの世界観の台頭は、プラトンの同種の物体は引き合うという考えを天体の文脈で復活させた。17世紀、ガリレオは重量の概念において大きな進歩を遂げた。彼は、動いている物体と静止している物体の重量の差を測定する方法を提案した。最終的に、彼は重量は物体の物質の量に比例し、アリストテレスの物理学観が想定していたような運動速度には比例しないと結論づけた。^{[ 2 ]}

重量にはいくつかの定義が存在し、それらすべてが同等であるわけではない。^{[ 3 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

操作的定義

重量と質量の測定

左：ばねばかりは、物体が（装置内部の）ばねをどれだけ押し上げるかを見ることで重量を測定します。月面では、物体はより低い値を示します。右：天秤は、物体を基準物と比較することで間接的に質量を測定します。月面では、物体と基準物の両方が軽くなるため、物体は同じ値を示します。

操作的定義では、物体の重さは、それを計量する操作によって測定される力であり、それは物体が支持部に及ぼす力である。^{[ 11 ]} Wは地球の中心による物体への下向きの力であり、物体には加速度がないため、支持部から物体に反対方向で等しい力が働く。作用と反作用は同じ数値で反対方向であるため、これは物体が支持部に及ぼす力と等しい。詳細によっては、これはかなりの違いを生む可能性がある。たとえば、自由落下中の物体は支持部にほとんど力を及ぼさないか、まったく力を及ぼさない。これは一般的に無重力と呼ばれる状況である。しかし、自由落下中であることは、重力による定義によれば重さに影響しない。したがって、操作的定義は、物体が静止していることを要求することによって洗練されることがある。しかし、これは「静止している」の定義の問題を提起する（通常、地球に対して静止していることは、標準重力を使用することによって暗黙のうちに示されている）。操作的定義では、地球の表面に静止している物体の重量は、地球の自転による遠心力の影響によって減少する。

一般的に用いられる操作的定義では、浮力の影響は明示的に除外されていない。浮力は、物体が空気や水などの流体に浸されると、測定される重量を減少させる。そのため、水に浮かぶ風船や水に浮かぶ物体は、重量がゼロであるとみなされる可能性がある。

現代の科学用語では、重さと質量は根本的に異なる量です。質量は物質の固有の性質であるのに対し、重さは物質に対する重力の作用によって生じる力であり、重力がその物質をどれだけ強く引っ張っているかを測定するものです。しかし、ほとんどの実際の日常的な状況では、厳密には「質量」を意味する場合でも、「重さ」という言葉が使われます。^{[ 9 ] [ 22 ]}例えば、キログラムは質量の単位であるにもかかわらず、ほとんどの人は物体が「1キログラムの重さがある」と言うでしょう。

質量と重量の区別は、地球表面では重力の強さがそれほど大きく変化しないため、多くの実用的な目的においては重要ではありません。均一な重力場では、物体に作用する重力（その重量）は、その質量に正比例します。例えば、物体Aの重量が物体Bの10倍であれば、物体Aの質量は物体Bの質量の10倍になります。つまり、物体の質量は重量によって間接的に測定できるため、日常生活においては、（秤を使って）重量を測ることは、質量を測定する全く問題のない方法です。同様に、天秤は、測定対象の重量を既知の質量の物体の重量と比較することによって、間接的に質量を測定します。測定対象と比較対象の質量はほぼ同じ場所にあり、同じ重力場を受けているため、重力の変化は比較や測定結果に影響を与えません。

地球の重力場は均一ではなく、地球上のさまざまな場所で最大 0.5% も変動する可能性があります^{[ 23 ]} (地球の重力を参照)。これらの変動は重量と質量の関係を変化させるため、質量を間接的に測定することを目的とした高精度重量測定では考慮する必要があります。局所的な重量を測定するばねばかりは、この標準重量を示すために、対象物が使用される場所で校正されなければ、商取引において合法ではありません。

この表は、地球表面のさまざまな場所における重力加速度の変化（したがって重量の変化）を示しています。^{[ 24 ]}

「質量」の代わりに「重量」という用語を歴史的に使用してきた慣習は、一部の科学用語にも残っています。例えば、化学用語では、好ましい「原子質量」などではなく、「原子量」、「分子量」、「式量」といった用語が今でも見られます。

例えば月面のような重力場が異なる場所では、物体の重さは地球上とは大きく異なる可能性があります。月面の重力は地球上の重力の約6分の1しかありません。質量が1キログラムの物体は、質量は物体固有の性質であるため、依然として1キログラムの質量ですが、重力による下向きの力、つまり重さは、地球上での重さのわずか6分の1になります。したがって、質量180ポンドの人が月面を訪れると、重さは約30ポンド重にしかならないのです。

重さを感じる感覚は、内耳にある三次元の管状構造である前庭系の液体が及ぼす力によって引き起こされます。これは実際にはGフォースの感覚であり、重力下で静止している場合であれ、人が動いている場合であれ、エレベーターの加速や減速、急旋回時の遠心力など、体に作用する他の力の結果であれ、同じ感覚です。

重量は一般的に2つの方法のいずれかで測定されます。ばねばかり、油圧式または空気圧式のはかりは、物体にかかる局所的な重力（厳密には見かけの重力）である局所重量を測定します。局所的な重力は場所によって最大0.5%変化する可能性があるため、ばねばかりでは同じ物体（同じ質量）でも場所によってわずかに異なる重量を測定します。重量を標準化するために、はかりは常に、9.80665 m/s² ^（約32.174 ft/s² ^）の公称標準重力下で物体が持つ重量を読み取るように校正されます。ただし、この校正は工場で行われます。はかりを地球上の別の場所に移動すると、重力が異なるため、わずかな誤差が生じます。したがって、高い精度と商取引における合法性を確保するためには、ばねばかりは使用する場所で再校正する必要があります。  

一方、天秤は、てこの機構を用いて、一方の秤皿に載せた未知の物体の重量と、もう一方の秤皿に載せた標準質量の重量を比較します。これがてこ式天秤です。標準質量は、専門用語を使わずに「分銅」と呼ばれることがよくあります。重力の変化は未知の物体と既知の物体に等しく作用するため、てこ式天秤は地球上のどの場所でも同じ値を示します。そのため、天秤の「分銅」は通常、質量単位で校正され、目盛りが付けられています。したがって、てこ式天秤は、未知の物体と秤皿に載せた標準質量に対する地球の引力を比較することで質量を測定します。重力場がない惑星から離れた場所（例えば宇宙空間）では、てこ式天秤は機能しませんが、例えば月面では地球上と同じ値を示します。一部の天秤は重量単位で目盛りが付けられていますが、分銅は標準重力に合わせて工場で校正されているため、天秤は標準重量、つまり物体が標準重力下でどれだけの重さになるかを測定し、物体に実際に作用する局所的な重力は測定しません。

物体に作用する実際の重力が必要な場合は、天秤で測定した質量に重力加速度を掛けることで計算できます。重力加速度は、標準重力（日常的な作業の場合）または精密な作業（精密な作業の場合）のいずれかです。さまざまな場所における重力加速度の表は、ウェブ上で見つけることができます。

総重量とは、一般的に商取引などで用いられる用語で、製品とその包装の合計重量を指します。一方、正味重量とは、容器や包装の重量を除いた製品単体の重量を指し、風袋重量とは包装のみの重量を指します。

下の表は、太陽、月、および太陽系の各惑星の表面における重力加速度を比較したものです。「表面」とは、巨大惑星（木星、土星、天王星、海王星）の雲頂を指します。太陽の場合、表面とは光球を指します。表の値は、惑星の自転による遠心力（および巨大惑星の雲頂風速）による減算がされていないため、一般的に言って、極付近で実際に感じられる重力とほぼ同じです。

• 人間の体重– 人の質量または体重 
• 比重– 物質の単位体積あたりの重量 
• 風袋重量
• 重量– 重量の単位、英国単位 
• 重量リスト