La massa in fisica
La massa è una delle grandezze fondamentali della fisica e rappresenta una misura della quantità di materia presente in un oggetto.
Tradizionalmente, è stata definita operativamente come la grandezza che si misura tramite una bilancia a bracci uguali, uno strumento che consente di confrontare direttamente due masse, stabilendo un equilibrio tra esse.
Nel Sistema Internazionale (SI), l'unità di misura della massa è il kilogrammo (kg).
Definizione del kilogrammo: dalla materia alla costante di Planck
Fino al 2019, il kilogrammo era definito attraverso un riferimento fisico: un particolare cilindro di una lega di platino-iridio conservato presso l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure a Sèvres, in Francia.
Questo oggetto, noto come kilogrammo standard, aveva un'altezza e un diametro di circa 39 millimetri (0,039 m), ed era mantenuto in condizioni rigorosamente controllate per assicurare che la sua massa restasse costante.
Tuttavia, anche un campione così stabile poteva subire lievissime variazioni nel tempo, portando gli scienziati a cercare una definizione più universale e duratura.
Dal 2019 la definizione del kilogrammo è stata aggiornata, ora si basa su costanti fondamentali della fisica, tra cui la costante di Planck (h).
Questa scelta rappresenta un grande passo avanti poiché si tratta di una grandezza immutabile che può essere riprodotta ovunque, senza bisogno di fare riferimento a un oggetto fisico specifico.
La nuova definizione si basa su una complessa equazione che coinvolge anche la velocità della luce nel vuoto (c) e la frequenza del cesio (fCs), utilizzando la relazione: $$ 1\, kg = \frac{(299792458)^2 \cdot hf_{Cs}}{(6.62607015 \cdot 10^{-34})(9192631770)} $$ Questa espressione potrebbe sembrare complessa, ma il suo scopo principale è quello di stabilire il kilogrammo in termini di parametri fondamentali che non cambiano mai. In altre parole, ora possiamo "misurare" il kilogrammo usando proprietà quantistiche piuttosto che confrontarlo con un oggetto fisico. Questo garantisce maggiore precisione e stabilità nel tempo e che le misurazioni siano valide in ogni angolo dell'universo, e non solo nel nostro piccolo angolo di pianeta.
Massa e peso: due concetti distinti
È importante non confondere la massa con il peso. Sebbene nel linguaggio comune i termini vengano spesso utilizzati in modo intercambiabile, in fisica essi rappresentano due concetti ben distinti.
- La massa è una proprietà intrinseca di un oggetto, che non cambia a seconda di dove si trova. Un oggetto con una massa di 10 kg sulla Terra avrà la stessa massa anche sulla Luna o in qualsiasi altro luogo dell'universo.
- Il peso, invece, è la forza gravitazionale esercitata su un oggetto. Questa dipende dalla gravità locale, che può variare in base alla posizione. Per esempio, sulla Luna, dove la gravità è circa 1/6 di quella terrestre, un oggetto peserà meno, ma la sua massa rimarrà invariata.
In altre parole, il peso è una forza (misurata in Newton) che dipende dalla massa e dall'accelerazione gravitazionale.
La relazione tra massa e peso è data dalla seconda legge di Newton:
$$ P = m \cdot g $$
Dove $ P $ è il peso, $ m $ è la massa e $ g $ è l'accelerazione di gravità (che sulla Terra è circa 9,81 m/s2).
Comprendere concetti chiave come la differenza tra massa e peso, che spesso, pur essendo confusi nel linguaggio comune, hanno un impatto fondamentale nella fisica e nelle scienze applicate.
