무게
Weight / 重量
1. 개요
질량이 있는 물체가 받는 중력의 크기를 무게(중량)라 한다.
즉, 질량이 있는 물체가 지구(또는 기타 천체)의 중력, 혹은 관성력으로 인해 지표면(지구 중심)을 향해 끌어당겨지는 힘을 우리가 부르는 이름이 무게다. 단위는 '''kg이 아니라''' N, 혹은 일상적으로는 kgf(킬로그램중, 킬로그램힘)를 사용한다.
질량은 질량이 없는 입자(광자와 글루온)를 제외한 모든 물질이 갖는 고유한 성질이며, 오로지 해당 물질을 구성하는 원자들의 원자량, 나아가 구성 분자의 분자량의 합에만 좌우되고 절대 변하지 않는다.[1]
반면 무게는 질량에 중력이 작용함으로써 발생하는 힘이므로, 중력의 변화에 따라 변화한다. 예를 들어 지구에서 체중이 60 킬로그램중(kgf)인 사람은 중력이 지구 중력의 1/6인 달에 가면 체중이 10 킬로그램중으로 줄어든다. 그러나 그 사람의 질량은 60 킬로그램(kg)으로 그대로 유지된다.
심지어 지구 표면에서도 무게는 달라질 수 있다. 지구의 중력이 지표면 모든 곳에서 동일하지는 않기 때문이다. 적도에서는 극 지방보다 중력이 미세하게 약하고, 따라서 적도에서 물체는 가벼워진다.
질량과 무게가 서로 다른 개념인데 어떻게 동일한 단위(킬로그램)를 사용할 수 있는지 궁금할 것이다. 사실 물리학에서 무게의 단위는 킬로그램이 아니라 kg·m/s2이며, 질량의 단위인 킬로그램과는 차원부터 다르다.[2] 무게의 단위를 보면 질량인 킬로그램(kg)에 중력가속도(m/s2)가 작용하는 것이 무게임을 알 수 있다.
하지만 무게와 질량은 일반적으로 정비례하고, 지표면상에서는 사람이 체감할 정도로 중력이 바뀌는 일이 없기 때문에[3][4] 일상적으로는 kgf에서 f를 생략하고 그냥 질량의 단위를 그대로 무게 단위로 쓴다.
2. 단위
무게의 SI 단위는 뉴턴(N)이다. 질량이 1킬로그램인 물체의 지표면에서의 무게는 9.8뉴턴이다. 지구 중력가속도가 9.8 m/s2이기 때문.
킬로그램힘(kgf)은 옛날에 사용하던 무게 단위로 이제는 SI 단위계에서 사용하지 않는다.[5] 그러나 지구상에서 사용하기에는 가장 편리한 무게 단위이기 때문에(1킬로그램의 질량을 갖는 물체는 지구상에서 대략 1킬로그램힘의 무게를 갖는다) 현재도 널리 사용된다. Kgf 단위로 표기된 무게를 뉴턴 단위로 환산하려면 9.807로 나누면 근사값이 나온다는 정도만 알아두자.
미국의 경우 파운드를 무게 단위로 사용한다. 미국에서는 파운드를 힘의 단위로도 사용하는데, 무게=힘이므로 계산에 아무 문제가 없다. 특히 로켓의 추진력은 대개 파운드 단위로 나타낸다. 1파운드 = 4.45뉴턴이다.
일상 생활에서는 질량의 단위인 밀리그램, 그램, 킬로그램, 톤(t), 킬로톤[6], 그레인(gr), 온스(oz),파운드(lb), 돈, 냥, 근, 관 등을 흔히 무게 단위로 이용한다. 엄밀히 말하면 틀린 것이지만, 지표면에서는 질량과 중량을 똑같이 취급해도 문제가 없을 뿐더러 일반인들에겐 이미 이렇게 굳어졌기에 바로잡기도 어렵다(체중계에 킬로그램이 아니라 뉴턴 단위로 체중이 표시된다고 상상해보자).[7]
[1] 정확히 말하자면 "정지 상태에서는" 질량이 변하지 않는다. 그러나 이는 이 문서의 범위를 넘어서는 내용이기도 하고 일상생활에서의 그 효과는 빈 노트와 연필로 점 하나를 찍은 노트의 질량 차이에 비유될 정도로 극히 작으므로, 이 문서에서는 상대론적 속도에서의 질량 변화에 대해서는 생각하지 말도록 하자.[2] 그래서 야드파운드법, 미국 단위계, 척관법 문서에서 킬로그램에 대응하는 단위를 '무게'가 아닌 '질량'으로 표기하고 있다.[3] 적도와 극지방 사이의 중력가속도 차이는 0.5%정도쯤이고, 해수면과 에베레스트 정상 사이의 중력가속도 차이는 0.3%정도쯤이다. 둘 모두 일반인에게는 와닿을 일이 없다.[4] 그나마 와닿는 일이 있다면 바로 엘리베이터를 탈 때. 엘리베이터 운전 중에 발생하는 가속도 때문에 엘리베이터 내부의 관찰자에게는 관성력이 작용하기 때문인데, 몸이 붕 뜨거나 무거워지는 느낌을 받는 것은 물론이고 실제 측정되는 무게 역시 바뀐다.[5] 지구상에서조차 "f"가 상수가 아니기 때문. 위에 논한 바와 같이 지구상에서도 중력은 지역에 따라 미세한 차이가 있다.[6] 톤과 킬로톤의 경우는 엄밀히는 무게 단위가 아니다. 이 단위는 부피 단위에 더 가깝다.[7] 우리나라 성인 남성의 평균 체중이 68킬로그램힘이라고 하는데, 이를 뉴턴으로 환산하면 약 666N이다.