質量 (mass) の概念

定量的扱いやシステムモデル構築の、基本的変数のひとつ

日常語「重さ」に対応する3つの物理学的概念

日常用語でいう「重さ」は、 数量として考えると、実は複数の意味を含んでいる。

• 物を月へあるいは人工衛星に持っていったとき重さは変わるか?
• 綿1キロと鉄1キロはどちらが重いか? (「キロ」はkgとする) cf. 綿と鉄はどちらが重いか?

• 重力 ... 下向きに働く力、大きさは質量×重力加速度
• 質量 ... 方向をもたない量。同じものを2つあわせたら2倍になる。
• 密度 ... 体積あたりの質量 (質量/体積)。同じものを2つあわせても値は同じ。

1. 「『重さ』とは重力という力であって質量とは別ものだ」と、 かなり強く主張している本も多数ある。 しかしわたしは日常用語の「重さ」は重力よりは質量に近い意味で使われていることが 多いと思う。 「重さ」あるいは「めかた」に学術用語としての厳密な意味をもたせようと考えないほうがよいと思う。
2. 「綿と鉄」の問いの意味はなんとおりか考えられる。 空気による浮力(そのもとは圧力)も考えに入れるべきかもしれない。 その場合の「重さ」は「重力から浮力をひいたものの大きさ」という意味になるだろう。 次の文献の「第6話」にもとづいて、 わたしが考えたことを、ブログ記事 [2017-10-27「鉄1 kgと綿1 kg ではどちらが重いか」]に書いた。
   • 坪井 忠二, 1970: 力学物語。岩波書店。

質量の概念の意義

• 運動方程式(Newton)...力 = (定数) × 質量 × 加速度 ... この定数はSIのような単位のとりかたをすれば 1。
• 重力(万有引力)の法則(Newton)...力 = (定数) × 質量の積 / 距離の2乗 ... この定数は重力定数(万有引力定数) G。
• 質量保存(物質不滅)の法則

物質不滅の認識

たとえば、炭を燃やすと、わずかな量の灰を残して消えてしまうように思われる。 しかし、気体をのがさないようにして重さをはかり、 気体の性質を調べることによって、 「炭の炭素が空気中の酸素と化合して、二酸化炭素となって空気中に出ていった」 と解釈するべきであることがわかった。 反応前後の炭素、酸素、二酸化炭素を合わせて考えると、質量は保たれている。 この認識を1人の科学者の仕事で代表させるとすれば、 ラヴォアジエ(Lavoisier)の1770年代の仕事だろう。 このような実験による経験が重ねられた結果、 測定していない場合でも、質量保存が成り立っているにちがいないと認識されるようになってきた。