Килограмм перьев или стали: почему весы в комнате не согласны
🧩 Загадка: Что покажут точные весы в обычной комнате: килограмм перьев или килограмм стали окажется легче? Ответ — в конце статьи.
Килограмм перьев или килограмм стали: что тяжелее? «Правильный» ответ известен всем: поровну. Но физики заглянули в загадку глубже и нашли второй подвох: в обычной комнате весы склонятся в сторону стали. Разберёмся, кто тайком подталкивает перья вверх и почему за этим пристально следят лаборатории.
Главное
- В вакууме весы с килограммом перьев и килограммом стали стоят ровно, потому что массы одинаковы.
- В воздухе на перья сильнее действует выталкивающая сила, та самая архимедова.
- По расчёту сталь в воздухе «весит» примерно на 0,8 грамма больше.
- Опыт 2014 года с бронзой и пенопластом подтвердил эффект, а метрологи учитывают его при каждом точном взвешивании.
Почему в пустоте загадка честная?
Физики любят начинать с идеальной картины. Поставим весы на Земле, но откачаем вокруг весь воздух. На одну чашу положим ровно килограмм перьев, на другую ровно килограмм стали.
Весы замрут в равновесии. Масса означает количество вещества, и от обстановки она не меняется. Одинаковую массу Земля притягивает одинаково. Хитрец с загадкой прав, пока мы не впустим воздух.
Кто подталкивает перья снизу?
Первая догадка: сопротивление воздуха. Но оно мешает только падающим предметам, а весы стоят неподвижно. Настоящий виновник другой: выталкивающая сила, знакомая по закону Архимеда.
Её обычно вспоминают в воде: она держит лодку на плаву и делает нас легче в бассейне. Но работает она в любом газе, включая воздух. Чем больше места занимает предмет, тем больше воздуха он вытесняет и тем сильнее воздух давит на него снизу.
Представьте в бассейне надувной мяч и камень одинаковой массы: мяч рвётся наверх, камень идёт ко дну. Перья здесь играют роль мяча: килограмм их занимает куда больше места, чем компактный стальной брусок. Значит, на чашу они давят чуть слабее. Остаётся понять, насколько.
Сколько весит воздух на чаше?
Один из участников физического форума посчитал разницу и нарочно упростил задачу. Он взял не пушистые перья, а их чистое вещество, кератин. Из этого белка состоят также волосы и ногти.
Кубический сантиметр кератина весит около 1,3 грамма, а стали 7,86 грамма. Поэтому килограмм кератина занимает 769 кубических сантиметров, а килограмм стали всего 127. Воздух у уровня моря с плотностью 0,0012 г/см³ «отнимает» у кератина 0,92 грамма, а у стали лишь 0,155 грамма.
Итог: весы покажут 999,08 грамма перьев и 999,85 грамма стали. Разница составит около 0,8 грамма. Рука её не почувствует, а точные весы заметят сразу. Но расчёт ещё не доказательство.
Как пенопласт «похудел» в лаборатории?
В научной статье 2014 года исследователи проверили эффект вживую. Сталь заменили тонкой бронзовой пластиной, перья заменили бруском пенопласта. Масса у них похожая, а объёмы несравнимые.
Чувствительные весы уравновесили в обычном воздухе, а затем начали откачивать воздух из камеры. Весы качнулись: оказалось, что бронзы на чаше по массе чуть меньше. В воздухе пенопласт терял больше, поэтому для равновесия хватало меньшего количества металла. Авторы с улыбкой заключили, что килограмм железа вполне может весить меньше килограмма перьев.
Для метрологов, специалистов по точным измерениям, это вовсе не шутка. Эталонные гири сравнивают с точностью до тысячных долей грамма. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) предупреждает лаборатории: неучтённая выталкивающая сила воздуха нередко даёт самую крупную ошибку при измерении массы. Поэтому поправку на воздух делают при любом высокоточном взвешивании.
Что это значит для нас
Спор решает одно слово: «тяжелее». Если речь о массе, перья и сталь равны, и воздух ни при чём. Если о том, что покажут весы здесь, на Земле, побеждает сталь.
- На кухонных весах разницу не ищите: она меньше грамма.
- Когда сверяете точные измерения, уточняйте, о чём идёт речь: о массе или о показаниях прибора.
- Когда вам загадают эту загадку, ответьте «поровну» и добавьте: «но в воздухе сталь перевесит примерно на 0,8 грамма».
Ещё больше историй о том, как привычные вещи оказываются хитрее, чем кажутся, ищите в наших статьях.
🎯 Проверь себя
Из-за чего в обычной комнате килограмм стали перевешивает килограмм перьев?
Сопротивление мешает только падающим предметам, а на неподвижные весы действует архимедова сила, и объёмные перья она выталкивает сильнее.
Показать ответ
Из-за выталкивающей силы воздуха. Сопротивление мешает только падающим предметам, а на неподвижные весы действует архимедова сила, и объёмные перья она выталкивает сильнее.
Чем заменили перья в опыте 2014 года?
Исследователи сравнивали брусок пенопласта с тонкой бронзовой пластиной: масса у них похожая, а объёмы очень разные.
Показать ответ
Бруском пенопласта. Исследователи сравнивали брусок пенопласта с тонкой бронзовой пластиной: масса у них похожая, а объёмы очень разные.
Сколько примерно воздух «отнимает» у килограмма кератина по расчёту?
Килограмм кератина занимает 769 кубических сантиметров и вытесняет столько воздуха, что весы показывают на 0,92 грамма меньше.
Показать ответ
0,92 грамма. Килограмм кератина занимает 769 кубических сантиметров и вытесняет столько воздуха, что весы показывают на 0,92 грамма меньше.
🧩 Ответ на загадку: Легче окажутся перья, примерно на 0,8 грамма. Воздух выталкивает их сильнее, потому что они занимают гораздо больше места.
Вы дочитали до конца! Сегодня прочитано статей: 1
Следующая статья →Кто «убивает» кота Шрёдингера: физики закрыли гипотезу 1960-х
Ещё в «Высоких технологиях»
Нейросеть спроектировала вирус — и его уже ввели пациенту
Пять уроков Google о нейросетях, которые пропускают новички
Микроморт: как измерить шанс погибнуть и почему мы боимся не тогоНужна расшифровка записи?
Интервью, лекции, совещания, видео — переведём в точный текст. Редактор прослушивает всю запись и проверяет весь текст; стоимость и срок согласуем после оценки.
 |
 |