Észbontó kérdés Molnár Krisztiánnal - Melyik nehezebb: 1 kiló toll, vagy 1 kiló vas?

6507

Molnár Krisztiánt egy troll megpróbálta behúzni a csőbe, de nem járt sikerrel. Bár Kiki a dolog fizikáját valószínűleg nem érti teljesen, viszont egyértelműen jó volt a megérzése: valóban nehezebb $1\ \mathrm{kiló}$ vas, mint $1\ \mathrm{kiló}$ toll. Hiába gondolják nagyon sokan azt, hogy "egyértelmű, hogy ugyanolyan nehezek, hiszen $1\ \mathrm{kiló}$ az ugyanannyi, mint az $1\ \mathrm{kiló}$!".

A tömeg mértékegysége a kilogramm (amit úgy is fogalmazhatunk, hogy a tömeget kg-ban mérjük), míg az erő mértékegysége a newton (az erők nagyságát newtonban adjuk meg). Emiatt egy test tömege és súlya minőségileg eltérő fogalmak, és eltérő a mértékegységük is.

Viszont ha két test ugyanakkora nehézségi gyorsulású helyen (például a Föld felszínén két elég közeli helyen) tartózkodik, akkor ha ugyanakkora tömegűek, akkor a rájuk ható nehézségi erők is ugyanakkorák. Sőt, mivel Föld felszínén a nehézségi gyorsulás mindenhol kb. $10\ \mathrm{\displaystyle \frac{m}{\ s^2}}$  nagyságú, ezért a földfelszínen lévő testekre ható nehézségi erő nagysága (newtonban) a $\mathrm{kg}$-ban megadott tömegükből egy egyszerű 10-zel való szorzással meg is kapható. Innen származik a "$3\ \mathrm{tonna}$ súlyának megfelelő erő" szófordulat. Emiatt a $1\ \mathrm{kg}$ vasra és $1\ \mathrm{kg}$ tollra ugyanakkora nehézségi erő hat (annyira pontosan ugyanakkora, amennyire azonos a nehézségi gyorsulás abban a két pontban, ahol a vas és a toll tartózkodik).

De a "melyik nehezebb?" kérdés vajon azt feszegeti, hogy "melyikre hat nagyobb nehézségi erő"? Nem, mert mi (emberek) emberközpontúan, énközpontúan gondolkodunk. Az, hogy egy tárgy mennyire nehéz, az nem olyan szempontól vetődik fel, hogy a nehézségi erő mit csinál a tárggyal (mekkora nehézségi erővel hat a testre a Föld). Hanem a "melyik nehezebb" kifejezés alatt azt értjük, hogy "melyik tárgyat nehezebb felemelni", vagy hogy mérlegre téve a tárgyakat "melyiket mutatja nehezebbnek a mérleg". Tehát ebben az észbontó feladványban nem a nehézségi erő a kérdéses, hanem az az erő, amivel egyensúlyban tartható a test (vagyis a tartóerő) vagy amekkora erővel felemelhető (emelőerő). Márpedig a tartóerő nem ugyanakkora $1\ \mathrm{kg}$ vas és $1\ \mathrm{kg}$ toll esetében. Miért is?

Mert a hidrosztatikai felhajtóerő nemcsak vízben, hanem minden folyadékban és gázban is fellép, így a levegőben lévő tárgyakra is ébred némi felhajtóerő.

"Minden vízbe mártott test
a súlyából annyit veszt
amennyi az általa
kiszorított víz súlya"

Mivel $1\ \mathrm{kiló}$ toll nagyobb térfogatú, mint $1\ \mathrm{kiló}$ vas, ezért $1\ \mathrm{kiló}$ toll több levegőt szorít ki, a nagyobb térfogatú levegőnek nagyobb a súlya, ezért az $1\ \mathrm{kg}$ tollra nagyobb hidrosztatikai felhajtóerő hat, mint az $1\ \mathrm{kg}$ vasra (méghozzá felfelé). Márpedig ha az $1\ \mathrm{kiló}$ tollra nagyobb felhajtóerő hat, akkor a mi kezünknek a toll esetében kisebb erőt elég kifejtenie, hogy egyensúly legyen a lefelé ható nehézségi erő, valamint a felfelé ható erők (a felhajtóerő és a kezünk űltal kifejtett tartóerő, emelőerő) között. Illetve mérlegre téve a vasat és tollat, a toll esetében a mérleg elég, ha kisebb tartóerőt fejt ki, mivel a toll esetében a környező levegő nagyobb felhajtóerővel járul hozzá a test megtartásához; úgy is fogalmazhatunk, hogy nagyobb a felhajtóerő, ami "besegít megtartani" a testet: