O dilemă clasică de fizică referitoare la flotabilitate, care implică o bilă de ping-pong, o bilă de fier, apă și o balanță, a generat intense dezbateri pe Reddit. Utilizatorii au încercat să anticipeze direcția în care se va înclina balanța, bazându-se pe principiile fizice care reglează forța de flotabilitate. Deși experimentul pare simplu, acesta testează cunoștințele despre principiul lui Arhimede și despre distribuția forțelor într-un sistem care include lichide și obiecte cu densități variate.
Principiul lui Arhimede
Flotabilitatea este o forță ascendentă verticală pe care un fluid o aplică asupra unui obiect complet sau parțial scufundat în acesta. Principiul lui Arhimede stipulează că această forță este echivalentă cu greutatea volumului de apă dislocat de obiect. Cu alte cuvinte, un obiect introdus într-un lichid va fi „ușurat” de greutatea apei pe care o mută. Dacă această forță depășește greutatea obiectului, acesta va pluti; altfel, se va scufunda.
Două bile, aceleași condiții de volum, comportamente diferite
Experimentul discutat constă în plasarea a două recipiente cu apă pe brațele unei balanțe:
– Într-un recipient, o bilă de fier este suspendată în apă printr-un fir.
– În celălalt, o bilă de ping-pong este fixată la fundul vasului, tot printr-un fir, fiind complet scufundată.
Ambele bile au volum identic, așadar dislocă același volum de apă și sunt supuse aceleași forțe de flotabilitate. Totuși, diferențele de densitate și punctul de aplicare al acestei forțe conduc la rezultate interesante.
Cum influențează fiecare sistem masa aparentă a vaselor?
1. Bila de fier:
– Este mai densă decât apa și, fără fir, s-ar scufunda complet.
– Este suspendată într-o poziție medie, iar o parte din greutatea sa este suportată de fir, iar cealaltă este susținută de apă, prin forța de flotabilitate.
– Totuși, deși o parte din aceasta este „susținută” de apă, întreaga forță de flotabilitate este transferată indirect cuplului bilă-recipient. Prin urmare, sistemul (vas + apă + bilă) cântărește mai mult, iar balanța se înclină în acea direcție.
2. Bila de ping-pong:
– Deși este complet scufundată, bila este semnificativ mai ușoară decât apa. În mod natural, ar tinde să plutească.
– Este, însă, menținută pe fund cu un fir, ceea ce înseamnă că toată forța de flotabilitate este transferată prin fir către fundul recipientului.
– Aceasta adaugă o forță suplimentară în jos pe acel braț al balanței — dar nu este echivalentă cu greutatea volumului de apă dislocat, ci doar cu greutatea reală a bilei plus o reacțiune de la fir, mai mică decât în cazul bilei de fier.
– Din acest motiv, acest vas cântărește mai puțin în comparație cu cel care conține bila de fier.
Rezultatul final al experimentului
Concluzia este că vasul cu bila de fier va avea o greutate mai mare decât cel cu bila de ping-pong fixată de fund și, astfel, balanța se va înclina către bila de fier.
Un detaliu interesant este că, dacă bila de ping-pong ar fi fost menținută manual sub apă (adică forța de flotabilitate ar fi fost echilibrată de o mână externă, nu transmisă fundului vasului), balanța ar fi rămas perfect echilibrată. Acest lucru este datorat faptului că ambele bile dislocă același volum de apă, iar forțele externe se echilibrează perfect.
Ce învățăm din acest experiment?
Această problemă evidențiază importanța de a înțelege nu doar principiile fundamentale din fizică, ci și modul în care forțele sunt transmise în cadrul unui sistem.
