Το γνωστό αίνιγμα με τα φτερά και τον χάλυβα έχει μια απρόσμενη επιστημονική εξήγηση.
Είναι ένα από τα πιο γνωστά αινίγματα που έχουμε ακούσει από παιδιά. Τι είναι πιο βαρύ, ένα κιλό φτερά ή ένα κιλό ατσάλι; Η απάντηση μοιάζει αυτονόητη: αφού και τα δύο ζυγίζουν ένα κιλό, θα πρέπει να είναι ακριβώς το ίδιο. Κι όμως, η φυσική κρύβει μια μικρή ανατροπή που μπορεί να κάνει τη ζυγαριά να γείρει προς το ατσάλι.
Η εξήγηση δεν έχει να κάνει με το ότι το ατσάλι είναι πιο πυκνό ή ότι τα φτερά είναι πιο ελαφριά. Αν μιλάμε για ένα κιλό από το καθένα, η μάζα τους είναι ίδια. Η διαφορά εμφανίζεται όταν προσπαθούμε να τα ζυγίσουμε μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης, εκεί όπου ο αέρας ασκεί δυνάμεις ακόμη και πάνω σε αντικείμενα που δεν κινούνται.
Το μυστικό κρύβεται στον αέρα
Για να καταλάβουμε τι συμβαίνει, αρκεί να σκεφτούμε τον όγκο που καταλαμβάνουν τα δύο υλικά. Ένα κιλό ατσάλι μπορεί να χωρέσει σε ένα σχετικά μικρό κομμάτι μετάλλου. Ένα κιλό φτερά, αντίθετα, καταλαμβάνει πολύ περισσότερο χώρο, ακόμη κι αν τα πιέσουμε ώστε να περιορίσουμε τον όγκο τους.
Εδώ βρίσκεται το κλειδί. Ο αέρας γύρω μας δεν είναι απλώς ένα κενό μέσα στο οποίο τοποθετούμε τα αντικείμενα. Έχει μάζα και ασκεί μια ανοδική δύναμη σε όσα βρίσκονται μέσα του, ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες ονομάζουν άνωση. Το ίδιο συμβαίνει και στο νερό, όταν ένα αντικείμενο επιπλέει ή φαίνεται να χάνει μέρος του βάρους του.
Τα φτερά, επειδή καταλαμβάνουν μεγαλύτερο όγκο, εκτοπίζουν περισσότερο αέρα από ό,τι το ατσάλι. Κατά συνέπεια, δέχονται μεγαλύτερη ανοδική δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι η ζυγαριά καταγράφει ελάχιστα μικρότερο βάρος για τα φτερά και ελάχιστα μεγαλύτερο για το ατσάλι.
Η διαφορά είναι πολύ μικρή και δεν γίνεται αντιληπτή σε μια συνηθισμένη ζυγαριά. Είναι, όμως, πραγματική και μπορεί να παίξει ρόλο σε μετρήσεις υψηλής ακρίβειας.
Τι θα συνέβαινε στο κενό
Αν τοποθετούσαμε το ένα κιλό φτερά και το ένα κιλό ατσάλι σε μια ζυγαριά μέσα σε ένα περιβάλλον χωρίς αέρα, η κατάσταση θα ήταν διαφορετική. Χωρίς την άνωση της ατμόσφαιρας, δεν θα υπήρχε αυτή η διαφορά στις ενδείξεις εξαιτίας του αέρα. Εφόσον οι δύο μάζες είναι ίδιες και βρίσκονται στο ίδιο βαρυτικό πεδίο, η ζυγαριά θα παρέμενε ισορροπημένη.
Η ιδέα δεν έμεινε μόνο στη θεωρία. Σε επιστημονική εργασία που δημοσιεύτηκε το 2014 («The Weight of Iron and Feathers», περιοδικό Physics Education), οι ερευνητές G. Zendri, L. M. Gratton και S. Oss, του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου του Τρέντο στην Ιταλία, εξέτασαν πειραματικά το φαινόμενο χρησιμοποιώντας ένα λεπτό φύλλο μπρούντζου και ένα κομμάτι διογκωμένης πολυστερίνης αντί για ατσάλι και φτερά. Τα δύο αντικείμενα αρχικά ισορροπούσαν στη ζυγαριά. Όταν οι ερευνητές άρχισαν να αφαιρούν τον αέρα από τον θάλαμο, η ισορροπία άλλαξε, καθώς μειωνόταν η επίδραση της άνωσης.
Το πείραμα έδειξε ότι ο αέρας μπορεί να επηρεάσει ακόμη και μια προσεκτικά ρυθμισμένη μέτρηση. Για τον ίδιο λόγο, το αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, γνωστό ως NIST, επισημαίνει ότι η άνωση του αέρα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν γίνονται μετρήσεις μάζας υψηλής ακρίβειας.
Ποιο είναι τελικά βαρύτερο;
Η απάντηση εξαρτάται από το τι ακριβώς εννοούμε όταν λέμε «βαρύτερο». Αν συγκρίνουμε τη μάζα, ένα κιλό φτερά και ένα κιλό ατσάλι είναι απολύτως ίσα. Αν, όμως, μιλάμε για την ένδειξη μιας ζυγαριάς μέσα στην ατμόσφαιρα, το ατσάλι μπορεί να εμφανιστεί ελάχιστα βαρύτερο, επειδή δέχεται μικρότερη άνωση.
Έτσι, ένα αίνιγμα που μοιάζει να έχει μια απλή και οριστική απάντηση αποδεικνύεται πιο ενδιαφέρον απ’ όσο φαίνεται. Τα φτερά δεν γίνονται ελαφρύτερα και το ατσάλι δεν αποκτά επιπλέον μάζα. Είναι ο αέρας γύρω τους που αλλάζει ελάχιστα το αποτέλεσμα της μέτρησης.
ΤΙ ΔΙΑΒΑΖΕΤΑΙ
