Care este mai greu un kilogram de plumb sau un kilogram de pene științifice ale culorilor
Viața mecanică vineri, 14 septembrie 2018 de Timo van Neerden
Aceasta este o întrebare clasică adresată copiilor pentru a le învăța noțiuni rudimentare de știință. Răspunsul normal este evident că sunt ambele la fel de grele.
Pentru că conform a ceea ce înțelegem prin „care este cel mai greu? », Răspunsul poate fi discutat. Pentru definiția „greu”, văd trei posibilități:
- care are masa cea mai mare ?
- care are cea mai mare greutate ?
- care este cel mai greu de ridicat ?
În toate cele trei cazuri, răspunsul este diferit !
Masele
Masă gravă și inertă
Definim masa în două moduri:
- ca și coeficientul de rezistență la accelerație: este inerția sa și vorbim despre „masa inertă”.
- ca și coeficientul de supunere la forța de greutate: o masă mai mare înseamnă o atracție mai mare. Vorbim despre masa gravă (ca în „gravitație”).
Fără să se știe încă de ce, Natura s-a asigurat că masa mormântului și masa inertă sunt egale. Această egalitate este numită „principiul echivalenței slabe” și este un principiu fundamental în fizică.
Totul este interesant, dar nu avem nevoie de el aici, deoarece masa unui kilogram de plumb este exact aceeași cu masa unui kilogram de pene, prin definiție. Un kilogram = un kilogram, punct.
Masa ca cantitate de materie
Dacă definim masa ca o cantitate de materie, pe de altă parte, putem argumenta: vorbim despre un număr de atomi? nucleoni (protoni și neutroni) ?
Într-un atom, 99,95% din masă este conținută în nucleu, iar restul de 0,05% se află în electroni.
În acest caz, putem număra numărul de nucleoni dintr-un kilogram de pene și numărul de nucleoni dintr-un kilogram de plumb. Și acolo ... vom găsi o diferență !
În fizica nucleară, masa nucleonilor cântăriți separat este mai mare decât masa nucleonilor lipiți împreună !
Astfel, 4 atomi de hidrogen (4 × 1 nucleon) sunt mai masivi decât un singur atom de heliu (1 × 4 nucleoni). Acest lucru se datorează faptului că simplul fapt că nucleonii sunt lipiți împreună constituie o formă de energie: energia nucleară de coeziune. Când topim hidrogen în heliu (ceva ce se întâmplă în Soare), aproximativ 1% din masă este transformată în energie (sub formă de radiație, căldură).
Relația dintre energia eliberată și masa pierdută este dată de binecunoscuta ecuație de echivalență masă-energie:
Dintr-o dată, în atomul de plumb care are între 202 și 210 nucleoni lipiți împreună, diferența de masă devine semnificativă în comparație cu atomii de carbon sau oxigen mult mai mici care alcătuiesc penele.
Kilogramul nostru de pene are mai puțini nucleoni decât kilogramul nostru de plumb. Masa lor va rămâne aceeași, dar numărul de particule diferă. Putem spune atunci că diferă și cantitatea de materie ?
Greutatea
În limbajul comun, „greutatea” este utilizată pentru a desemna forța cu care gravitația Pământului trage obiecte în jos (spre ea). Forța de atracție asupra unui obiect cu masa fixă $ m_1 $ depinde apoi de masa $ m_2 $ a planetei și de geometria acesteia:
Dacă masa planetei ($ m_2 $) este de asemenea constantă, atunci singura variabilă este distanța $ d $ între planetă (centrul ei, de fapt) și plumbul și penele noastre (din nou, centrele lor de masă).
Dintr-o dată, dacă luăm în considerare un kilogram de plumb plasat pe pământ sub forma unui cub metalic și kilogramul de pene ca o pungă mare de pene, o parte din punga de pene va fi mai departe de Pământ decât cubul de plumb.