На самом деле килограмм перьев и килограмм стали имеют неодинаковый вес: почему

Скорее всего, в детстве вам загадывали ​​загадку: "Что тяжелее: килограмм стали или килограмм перьев?". Конечно же, большинство детей отвечает, что сталь тяжелее перьев, ведь это действительно так. Но подвох заключается в том, что масса обоих предметов задана одинаковой, то есть 1 килограмм. Казалось бы, они должны весить одинаково, но можно доказать, что сталь все-таки тяжелее, если сравнивать 1 килограмм перьев и стали, пишет IFLSciencе.

Представьте, что у вас есть ровно 1 килограмм перьев и 1 килограмм стали, и вы помещаете их на чаши весов в вакууме где-то на Земле. В таких условиях весы окажутся в равновесии, ведь массы предметов идентичны, а значит, и сила земного притяжения, которая действует на них, одинаковая.

Но если взвесить 1 килограмм перьев и 1 килограмм стали в земной атмосфере, то чаша весов со сталью опустится ниже. То есть сталь окажется тяжелее перьев.

Секрет кроется в выталкивающей силе. Это явление описывает закон Архимеда: на любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует вертикальная сила, которая толкает его вверх. Эта сила равна весу жидкости или газа, которые это тело вытеснило. Атмосфера состоит из газа, а значит там действует выталкивающая сила, которую все же чаще связывают с жидкостями.

Поскольку перья занимают больший объем, чем сталь, они вытесняют больше воздуха, а значит, на них действует более сильная выталкивающая сила.

В результате сила, направленная вниз, для перьев оказывается чуть меньше, поэтому чаша весов с перьями приподнимется, а чаша со сталью опускается. Хотя в итоге окажется, что сталь, хоть и тяжелее, но разница совсем крошечная.

Перья состоят из кератина, плотность которого составляет около 1,3 г/см³. Таким образом, 1 килограмм перьев вытесняет 751 см³ воздуха. Плотность стали составляет 7,86 г/см³, и 1 килограмм стали вытесняет 127 см³.

Плотность воздуха на уровне моря составляет 0,0012 г/см³. Выталкивающая сила, действующая на 751 см³ кератина, равна 0,92 грамм-сила (это сила с которой 1 грамм массы давит на что-то в условиях земной гравитации). Для 127 см³ стали выталкивающая сила равна 0,155 грамм-сила. Это означает, что в вакууме кератин весил бы 1 килограмм-сила, а в воздухе — 999,08 грамм-сила. Сталь же в вакууме будет весить 1 килограмм-сила, а в воздухе — 999,85 грамм-сила.

В конечном счете все сводится к тому, что именно мы понимаем под словами "тяжелее" и "вес". С одной стороны, можно утверждать, что масса перьев и стали одинакова при заданных условиях. Это справедливо, если говорить, что "тяжесть" – это свойство объекта, не зависящее ни от гравитации, ни от выталкивающей силы атмосферы планеты, в которой этот объект находится.

Если речь идет не о массе (гравитационной или инертной) и не о весе (понимаемом как чистая гравитационная сила, обусловленная гравитационной массой), а именно о показаниях весов, то в таком случае 1 кг стали и 1 кг перьев могут иметь разный вес.

Другие новости науки

• Ученые на пороге величайшего открытия в физике: впервые античастицу держали месяц в ловушке. Изучение пойманного в ловушку позитрона может показать, что Стандартная модель физики элементарных частиц не совсем правильная.