Насправді кілограм пір'я та кілограм сталі мають різну вагу: чому

Найімовірніше, у дитинстві вам задавали таку загадку: "Що важче: кілограм сталі чи кілограм пір’я?". Звісно, більшість дітей відповідає, що сталь важча за пір’я, адже це дійсно так. Але підступ полягає в тому, що маса обох предметів задана однаковою, тобто 1 кілограм. Здавалося б, вони повинні важити однаково, але можна довести, що сталь все-таки важча, якщо порівнювати 1 кілограм пір’я та сталі, пише IFLScience.

Уявіть, що у вас є рівно 1 кілограм пір’я та 1 кілограм сталі, і ви кладете їх на чаші ваг у вакуумі десь на Землі. У таких умовах ваги опиняться в рівновазі, адже маси предметів однакові, а отже, і сила земного тяжіння, що діє на них, однакова.

Але якщо зважити 1 кілограм пір’я та 1 кілограм сталі в земній атмосфері, то чаша ваг зі сталлю опуститься нижче. Тобто сталь виявиться важчою за пір’я.

Секрет полягає у виштовхувальній силі. Це явище описує закон Архімеда: на будь-яке тіло, занурене в рідину або газ, діє вертикальна сила, яка штовхає його вгору. Ця сила дорівнює вазі рідини або газу, які це тіло витіснило. Атмосфера складається з газу, а отже, там діє виштовхувальна сила, яку все ж частіше пов’язують із рідинами.

Оскільки пір’я займає більший об’єм, ніж сталь, воно витісняє більше повітря, а отже, на нього діє сильніша виштовхувальна сила.

У результаті сила, спрямована вниз, для пір’я виявляється трохи меншою, тому чаша терезів із пір’ям підніметься, а чаша зі сталлю опуститься. Хоча зрештою виявиться, що сталь, хоч і важча, але різниця зовсім незначна.

Пір'я складається з кератину, щільність якого становить близько 1,3 г/см³. Таким чином, 1 кілограм пір'я витісняє 751 см³ повітря. Щільність сталі становить 7,86 г/см³, і 1 кілограм сталі витісняє 127 см³.

Щільність повітря на рівні моря становить 0,0012 г/см³. Виштовхуюча сила, що діє на 751 см³ кератину, дорівнює 0,92 грам-сила (це сила, з якою 1 грам маси тисне на щось в умовах земної гравітації). Для 127 см³ сталі виштовхувальна сила дорівнює 0,155 грам-сила. Це означає, що у вакуумі кератин важив би 1 кілограм-сила, а в повітрі — 999,08 грам-сила. Сталь же у вакуумі важитиме 1 кілограм-сила, а в повітрі — 999,85 грам-сила.

Зрештою, все зводиться до того, що саме ми розуміємо під словами "важче" та "вага". З одного боку, можна стверджувати, що маса пір’я та сталі однакова за заданих умов. Це справедливо, якщо говорити, що "важкість" — це властивість об’єкта, яка не залежить ані від гравітації, ані від виштовхувальної сили атмосфери планети, на якій цей об’єкт знаходиться.

Якщо мова йде не про масу (гравітаційну чи інерційну) і не про вагу (розуміється як чиста гравітаційна сила, зумовлена гравітаційною масою), а саме про показання ваг, то в такому випадку 1 кг сталі та 1 кг пір’я можуть мати різну вагу.

Інші новини науки

• Вчені на порозі найвизначнішого відкриття у фізиці: вперше античастинку утримували в пастці протягом місяця. Дослідження позитрона, уловленого в пастку, може показати, що Стандартна модель фізики елементарних частинок не є цілком правильною.