Представьте: банка с мухами стоит на весах. Сначала они мирно сидят — стрелка застыла. Но вот мухи взлетают, начинают жужжать и метаться по банке. Весы дрогнут? Покажут меньше? Или наоборот — больше? Вес и масса - не одно и тоже, и движение, гипотетически, способно оказать влияние.
Сейчас этот вопрос иногда задают в школе на уроках физики. Не столько с целью получить точный ответ, сколько стимулировать, чтобы школьники порассуждали о законах физики в реальных условиях.
И именно этот вопрос десятилетиями мучил физиков и инженеров. И да, даже «Разрушители легенд» не прошли мимо этого курьёзного парадокса.
Великий спор: когда физики не могли договориться
Началось всё с публикации в немецком научном журнале в середине XX века.
Редакция просто спросила: будет ли банка с летающими мухами легче, чем с сидящими?
Казалось бы, мелочь. Но этот вопрос развязал настоящую войну в письмах. Одни физики уверяли, что вес уменьшится — ведь муха больше не давит на дно. Другие не менее уверенно отвечали: «Ничего подобного, законы Ньютона не подведут».
Парадокс оказался настолько популярным, что перекочевал в университетские курсы по механике. Студенты спорили, инженеры чертили схемы, а позже в XXI веке дело докатилось и до интернет-дебатов.
Масса и вес - чем они отличаются
Чтобы лучше понять суть парадокса, давайте вспомним из физики отличие этих величин.
Масса и вес — это не одно и то же, хотя в быту мы постоянно их путаем. Масса — это количество вещества в теле. Масса всегда остаётся неизменной, где бы вы ни находились — на Земле, на Луне или в космосе. Только если, конечно, части тела будут все при вас.
У мухи, которая весит 0,04 грамма, масса будет той же и в банке, и в невесомости.
Вес же — это сила, с которой тело давит на опору. То есть нужно учитывать гравитацию.
Вес зависит от ускорения свободного падения, то есть от того, насколько сильно тянет вас вниз конкретная планета.
Поэтому человек с неизменной массой 70 кг будет «весить» на Земле около 70 кгс, а на Луне — всего 11,7.
Получается, что вес — это не свойство тела, а сила взаимодействия между телом и опорой. Весы измеряют именно эту силу, а не массу.
Проиллюстрирую эту разницу на простом примере. Представьте простой бытовой момент - человек взвешивается на весах. И вдруг - подпрыгивает.
Перед прыжком (чуть присел): вес уменьшается
- Во время отталкивания: вес резко возрастает (вырастает в два и более раз)
- В полёте: вес падает до нуля - он же в воздухе и не давит на весы.
- При приземлении: вес снова резко возрастает
- После стабилизации: вес возвращается к норм.
Цифры будут выглядеть примерно так для человека весом 100 кг:
Получается, что человек с неизменной массой показывал на весах разный вес пять раз за полторы секунды!
Когда в дело вмешались весы
Сколько бы ни спорили, решать пришлось практикой. Первые эксперименты с мухами были неудобными: насекомые неохотно летали по команде. Тогда учёные из образовательного проекта GetAClass пошли хитрым путём — заменили муху на квадрокоптер.
Аквариум вместо банки, точный датчик силы вместо весов, дрон — внутри. Когда дрон лежал на дне, датчик показывал его вес. Когда дрон взлетел — показания не изменились. Всё! Вес системы остался тем же, хотя винты гудели и воздух бурлил.
Звучит просто, но эффект ошеломляющий. Даже эксперты из известной научно-популярной передачи «Разрушители легенд» посвятили этому целый выпуск. Они подтвердили: да, пока муха (или дрон) в полёте, вес системы не меняется.
Но есть один момент! В мгновение, когда дрон отрывается от дна, стрелка весов слегка дёргается. Это краткий всплеск давления — муха (или дрон) ускоряется вверх, отбрасывая воздух вниз с силой чуть больше своей тяжести. Через долю секунды всё стабилизируется.
Итак, ответ парадокса прост: банка весит одинаково, сидят ли мухи или летают. Кроме момента взлета.
В замкнутой системе всё сбалансировано: муха отбрасывает воздух, воздух давит на дно — и вес остаётся тем же.
Такая вот нам любопытная напоминалка: даже самое скучное жужжание в банке может звучать как симфония законов природы.