重さ

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重さ(おもさ、weight)または、重量(じゅうりょう、weight)には文脈により2つの意味があり、物体の質量(mass)を意味する場合と、物体に働く重力の大きさ、すなわち(force)を意味する場合がある。かつては工学分野においては、物体の質量とそれが及ぼす力(または荷重)を厳密には区別せずに議論や計算を行っていた(重力単位系)が、現在では厳密に区別している。

「重さ」、「重量」の曖昧さ[編集]

「重さ」は、日常語(和語)であり、日常一般の使い方では物理量として異なる2つの意味がある。一つは、物体の質量(単位はキログラム(kg))を意味し、もう一つは物体に働く重力の大きさ、すなわち(単位はニュートン(N))を意味する[1]。この2つの意味は暮らしの中では曖昧に使われている。それは地球上の日常の生活では、質量とそれが重力によって及ぼす力とを区別する必要が無いからである。多くの人は、大人になっても「重さ」という言葉を色々な場面で使う。質量も重力も密度圧力も、どれも「重さ」と言い表していて、「重さ」は「重さ」なのである[2]

小学校においては、重さは質量(mass)の意味のみが教えられる[3]。これに対して、中学校においては、「重さ」は力(重力の大きさ)(force)であると教えられて、質量とは区別される。そして質量の単位はキログラム(kg)であり、重さの単位はニュートン(N)であると教えられる。

「重さ」の漢語表現は「重量」(英語は同じく、weight)であるが、これにも質量の意味と力(荷重)の意味の2つがある点で、「重さ」と同じである。例えば、道路運送車両法は、車両総重量の語を車両総質量の意味で用いている(車両総重量の項を参照)。

英語・米国における曖昧さ[編集]

英語における重さや重量を表す一般語は weight であるが、これも質量の意と力(荷重)の意の両方があり紛らわしい[4]

米国においても、商業用語と日常用語としては依然として weight の語が、しばしば間違って、mass(質量)の意味で用いられることがある。この点について、NISTは、国際単位系国際文書の米国版で、次項の1901年のCGPM声明に関連して、注意を与え続けている[注 1][注 2]

重量の語の明確化(国際度量衡総会の決定)[編集]

1901年の第3回国際度量衡総会(CGPM)は、重量(: poids: weight )という語の曖昧さを排除するために、次の声明を発出した。

質量の単位と重量の定義に関する声明;gn の協定値 (CR, 70)

国際度量衡総会によって、1889年9月26日の会合において満場一致で採択されたメートル法諸原器承認の文書に含まれている決定を考慮し、

あるときは質量(: masse: mass)に対して、あるときは力学的な力(: force: force)に対して使われている重量(: poids: weight) という用語の意味について、日常的な使い方の中にいまだに残っているあいまいさを取り除く必要を考慮し、国際度量衡総会は

1. キログラムは質量(mass)の単位であって、それは国際キログラム原器の質量に等しい[注 3]

2. 「重量」(weight)という用語は「力」(force)と同じ性質の量を示す。ある物体の重量は、その物体の質量と重力加速度の積であること、特に、ある物体の標準重量は、その物体の質量と標準重力加速度の積である

3. 標準重力加速度の値に対して国際度量衡業務で採用された数値は 980.665 cm/s2 であり、すでにいくつかの国の法律において明記されている[注 4]

ことを声明する。[5]

この声明により、重量の語の意義が明確になって、質量の語との混同がなくなったが、日常一般の使い方としては、依然として混同が起こることがある。

概説[編集]

物を手に持った時に「重さ」を感じるのはその物が地球引力によってを及ぼすためである。また、吊るされた梵鐘などを手で揺らそうとする時に「重さ」を感じるのは慣性力が手に力を及ぼすためである。この場合どちらも我々は「重い」と表現するが、これは古くから重力加速度による重力と加速による慣性力に密接な関係があることを経験上知っていたためである。地球上の場合、質量が1kgの物体にかかる重力は約9.8N(ニュートン)となり、この力を1kgw(キログラム重)または1kgfと表記する。

重力は重力加速度に比例して変化するため、同じ物体でも別の天体上では異なる重さ(重力)になり、また地球上でも場所によっては異なる重さ(重力)になる。そのため、重量を重力を使って量る簡便なばねばかりを使う場合は基準が設定されている。

なお、古代から使われてきた天秤ばかりで量った重量は重力加速度に依らず一定であり、この場合一般相対性理論等価原理によれば重量と質量は厳密に一致する。また、物質の慣性力を意味する「重さ」も重力加速度に依らず一定である。

重さ・重量・質量[編集]

上記のように、重さを重力と捉えた場合、重力は重力加速度によって異なるので、重さはそれぞれの物体に固有の性質ではない。しかし、古くから重さと重量が同一視されてきたのは、地球上で物体は質量にほとんど比例した大きさの力で下向きに引かれるため、この引くを物体の性質と見なしたのを重量(つまり質量)と呼んだためである。この捉え方は、人間が手に持って重力から重量を推測する場合や、重力で延びるばねの目盛で重量を量るばねばかりなどの計量器に当たる。これは地球上では重力加速度がほぼ一定であることを利用したもので、ばねばかりは小型で便利なため広く使われている。

一方、天秤ばかりによる計量や慣性力のように、重さを重力ではなく重量と捉えた場合、重量と質量が厳密に一致することは数々の実験で証明されている。重力加速度による重力と加速度による慣性力が比例することはニュートンの時代にかなり正確に測定されていたため、天秤ばかりによる重量と質量が同じであろうということはニュートンも熟知していたが、彼は慎重にも重量という言葉を使わず「密な物」という表現をしており、また質量という言葉も作らなかった。これはまだ重量と質量が厳密に一致するかどうかニュートン自身確信を持てなかったためである。その後の物理学者も同様に確信が持てなかったため重量に代わる言葉として「質量」を使い出したが、アインシュタインの時代になるとかなりの精度で重量と質量が一致することが実験で明らかになっていたため、アインシュタインが等価原理を考え出すことが出来たのは有名な話である。

このように現在では(天秤ばかりでの)重量と質量が厳密に同じであることがわかっているが、重量は重力で量るものという誤解から物理学等では曖昧さを排除するため「質量」という言葉を使う。

重さを量るときの注意[編集]

実際には、ばね秤が発明されると重力を元に物体の重量を扱うことが行われて来た。ニュートンらによる理論は、それが実用上は問題ないことを裏付け、同時にわずかながら違いがあること、普通の地上でない場合には様々な誤差が生じること等を示したとも言える。実際的には地上でも地域によって重力の大きさには違いがある。

上記のように、地球上において重力を質量のように見なしても普通には困難はないが、実際にはまずい場合もある。たとえば地球表面は真空ではないから、そこに存在する物体は必ず浮力を受けるため、発生した浮力で見かけの重力を補正する必要がある。人間の活動は普通は空気中で行われ、空気は人間の意識して扱う大抵の物体よりはるかに小さな密度を持つため、普段はこれに気づくことは少ない。しかし、このために空気の重さはないとの感覚が流通している。また、熱気球のように上昇するものに対して、重さと反対の「軽さ」という性質があるとの判断も過去には存在した。

派生した意味[編集]

派生した意味として、抽象的な物事の重大さを表すことがある。この場合は「重み」や「重き(を置く)」の語が使われることが多い。重みという場合に、「のしかかる」ものとの印象があるのは、重さの性質を反映している。重点とも言う。

重さの単位[編集]

脚注[編集]

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注釈[編集]

  1. ^ NIST SP 330(SI)2019年版 p.46, 下欄 Editors' note: In the United States the term “weight” is used to mean both force and mass. In science and technology this declaration is usually followed, with the newton (N) the SI unit of force and thus weight. In commercial and everyday use, and especially in common parlance, weight is often (but incorrectly) used as a synonym for mass, the SI unit of which is the kilogram (kg). 訳:米国では、「weight」の語は、force(力)とmass(質量)の両方の意味で用いられる。科学技術分野においては、この宣言(1901年のCGPM)は通常守られている(単位はforce(力)したがってweight(重さ)のSI単位であるニュートン(N)を用いる)。商業上の使い方と日常の使い方では、特に俗用としては、weight の語は、しばしば(しかし間違って) mass(質量) の同義語として使われている(SI単位はキログラム(kg)である)。
  2. ^ NIST SP330(1981)p.18, 3d CGPM 1901, USA Editors' note. "In the USA, ambiguity exists in the use of the term weight as a quantity to mean either force or mass. In science and technology this declaration (CGPM(1901)) is usually followed, with the newton the corresponding unit. In commercial and everyday use, weight is often usedn in the sense of mass for which the SI unit is the kilogram." 訳:米国では、量を表す「weight」の語の使い方には、force(力)を意味するのか、mass(質量)を意味するのかについて曖昧さが存在する。科学技術分野においては、この1901年のCGPM声明は通常守られている(単位はニュートン)。商業上の使い方と日常の使い方としては、weight の語は、しばしば mass(質量) の意味で使われている(単位はキログラム)。
  3. ^ この定義は、2018年の第26回国際度量衡総会(決議1)によって廃止された。
  4. ^ この gn の値は、現在は排除されている単位であるキログラム重を計算するための協定参照値である。

出典[編集]

  1. ^ 有馬朗人ほか70名、(中学校教科書)理科の世界1、p.183 「くらしの中では,「重さ」を質量という意味でも重力の大きさという意味でも使うことがあるよ。でも理科では重さと質量はちがう意味で使うよ。」、2020年3月2日検定済、大日本図書ISBN 978-4-477031750
  2. ^ 「質量」をどう教えるか - ニュートンの質量の定義に戻って - 吉埜和雄・興治文子、新潟大学教育学部研究紀要第10巻第2号、p.127、6.重力と質量を区別しなくとも日常生活では不自由しない、2017年10月23日受理
  3. ^ 有馬朗人ほか58名、「たのしい理科3年」、p.166、もののしゅるいと重さ、「重さは, グラムというたんいで表され・・・」、2019年3月5日検定済、大日本図書、ISBN 978-4-477-03122-4、2021年2月5日再版発行
  4. ^ The American Heritage Dictionary, Second College Edition, p.1371, Houghton Mifflin Company, 1982, ISBN 0-395-32943-4 1)A measure of the heaviness or mass of an object. 2)The gravitational force exerted by the earth or another celestial body on an object, equal to the product of the object's mass and the local value of gravitational acceleration.
  5. ^ [1] BIPM 著、産業技術総合研究所 計量標準総合センター 訳 『国際単位系(SI)第9版(2019)日本語版』産業技術総合研究所 計量標準総合センター、2020年3月、126-127頁。 

関連項目[編集]