Что тяжелее: килограмм пуха или килограмм железа?
Такой загадкой многие донимали своих одноклассников. И если кто-то отвечал «железо», над ним ржал весь класс.
Но никто не ставил такой эксперимент. Все только ржут. А мы в ТОПЛЕС решили провести его! Видео есть на нашем канале, а тут расскажем еще больше нюансов о том, как проходил этот эксперимент и как мы несколько раз облажались с ним.
Для этого эксперимента мы построили большие плечевые весы. Две крупные чаши висят на цепочках на общей балке, а посередине — подшипник, чтобы весы свободно качались.
Мы проверили: весы отлично чувствуют разницу до десятых долей грамма. В теории, этого должно хватить, чтобы почувствовать разницу, если она будет.
На электронных весах с точностью до 0.1 грамма мы отмерили килограмм монет и килограмм синтепуха.
Что мы вообще собрались проверять, если и то, и то весит ровно килограмм? Силу Архимеда!
Это сила, из-за которой, например, лодки не тонут в воде. Плотность дерева меньше, чем плотность воды, и поэтому вода не дает лодке утонуть.
По идее, если спрессовать пух, его плотность будет примерно в полтора раза больше, чем у воздуха. А вот если его распушить, воздух зайдет внутрь, и плотность распушенного пуха сильно уменьшится. А значит, на него подействует сила Архимеда, и такой пух будет легче!
Итак, для начала мы спрессовали килограмм пуха и килограмм монет. Электронные весы показали, что они равны. Ставим на весы и… Конечно, разницы нет. Это логично.
Но теперь распушим пух. Мы добавили на чашу весов стенки из пакета, чтобы пух точно не разлетелся, и уравновесили эти стенки небольшим кусочком пластилина на другой чаше весов.
По идее, теперь пух должен немного парить в воздухе из-за силы Архимеда. То есть он станет легче, и монеты должны перевесить. Проверим!
Снова равенство! Но почему сила Архимеда не сделала пух легче?
Мы сами не ожидали этого, ведь сразу несколько человек и несколько чатов в ChatGPT сказали нам, что сила Архимеда точно должна сработать, причем грамм на 10–20!
Альтернативного мнения просто не было! Может, весы кривые? Но мы проверили их на идеальных гирьках: работали они нормально.
Дело было в воздухе.
Да, пух должен стать легче, но внутрь него зашел воздух и тоже начал давить на весы. Оказалось, что эти силы полностью компенсируют друг друга. Мы даже рассчитали это при помощи уравнений.
Тут мы расписали вес пуха. Это его масса + масса воздуха внутри – сила Архимеда (из школьной программы знаем ее формулу). Если раскрыть это уравнение и посокращать ненужное, окажется, что вес пуха вообще не зависит от его объема и массы воздуха внутри.
То есть как пух ни распушай, тяжелее он не станет! Облом.
Но эксперимент все-таки хотелось провести. Мы начали копаться и поняли, что все-таки у него есть одна лазейка. Еще раз посмотрите на уравнения. Там есть плотность воздуха. Вес пуха зависит от нее.
Можно ли как-то поменять плотность воздуха?
Конечно, можно! Надо просто создать вакуум. Тогда плотность воздуха резко уменьшится, и согласно этому уравнению, вес пуха должен вырасти. То есть пух все-таки перевесит железо!
Чтобы это доказать, нужно полностью исключить воздух из уравнения. Для этого мы отправились в центр «Стратосферные системы» в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Там было две вакуумные камеры нужных размеров.
Мы боялись, что весы тупо взорвутся в вакууме… Но ребята из Бауманки сказали, что все ок: в этой камере чего только ни взрывалось, и взрыв весов ее точно не сломает. Значит, можно пробовать!
Мы поставили тот же килограмм пуха на весы и начали откачивать воздух. И… Пух стал легче.
Да блин. Он же должен был тяжелеть! Какого черта?
Мы снова начали думать и быстро поняли причину. Снова воздух. Точнее, влага в воздухе. В тот день в Москве был жуткий снегопад, а наш пух всю ночь пролежал в багажнике машины. Пакет был негерметичный, поэтому влажный воздух пропитал пух и сделала его немного тяжелее.
А когда мы поместили пух в вакуум, вся эта влага мгновенно испарилась, и пух стал легче. Что ж. Бывает.
Мы высушили гору пуха в вакууме так, чтобы внутри не осталось ни грамма воды. Снова отмерили килограмм идеально сухого пуха на весах и поместили в вакуум.
Начинаем откачивать воздух до около космического вакуума, 0.1 миллиметра ртутного столба и… вес пуха растет до 1000.5 грамм! Пух потяжелел на полграмма!
Чтобы точно убедиться в результате, мы впустили воздух внутрь камеры, и вес пуха снова опустился до килограмма. Эксперимент все-таки сработал! Вес пуха вернулся к своему законному килограмму.
То есть вес пуха в вакууме отличается от веса пуха в воздухе.
Что всё это значит?
Это значит, что если вы отмерили килограмм синтепуха в воздухе, то сила Архимеда вас обманула. На самом деле, масса этого пуха не килограмм, а чуточку больше. Именно поэтому NIST рекомендует проводить сверхточное взвешивание только в вакууме.
Так что когда в следующий раз вас спросят, что тяжелее: килограмм пуха или килограмм железа — смело отвечайте, что весят они одинаково. Но масса у пуха точно больше! Просто вам нужна вакуумная камера по цене однушки в Москве, чтобы это доказать.
Если вам понравились наши эксперименты и то, как мы пишем, заходите к нам в телеграм-канал. Подобные истории выходят там ежедневно!
И обязательно пишите в комменты, чего в этом эксперименте не хватило, чтобы сделать его максимально научно корректным. Мы уже поняли, что зря не измерили в вакууме килограмм железа :-( Так что есть повод вернуться к вакуумной камере еще раз.