Иногда учителя физики любят «потролить» учеников и задают вопрос типа «изменится ли вес банки с мухой внутри, если муха летает».
Чтобы правильно ответить на этот вопрос, достаточно представления об общем курсе механики. Можно, конечно, разобраться в этом вопросе, проведя эксперимент. Но гораздо интереснее попытаться предсказать поведение системы, опираясь на теоретические знания.
Ключ к разгадке прост. Давайте разберемся, как летает муха? Представьте себе, что в банке вообще нет воздуха. Сможет ли она вообще летать? Конечно нет! Ведь весь процесс полета строится на том, что муха упирается крылышками в воздух и отталкивается от него.
Чтобы оставаться в воздухе, мусс приходится толкать воздух вниз с силой, равной ее весу, и эта сила передается банке через давление воздуха.
Выходит, что вес мухи всегда поддерживается банкой, прямо или косвенно. Между ситуациями, когда муха просто сидит на дне герметично закрытой банки и летает внутри такой же банки, нет физической разницы.
Но не зря мы выделили фразу «герметично закрытой».
Вес банки с мухой все-таки может изменяться и вот почему.
Сформулированный ответ предполагает, что банка идеально герметична и не деформируется, а воздух внутри банки имеет ту же температуру и давление, что и наружный воздух. Если какое-либо из этих условий не соблюдено, то вес банки может незначительно изменяться при полете мухи.
К примеру, если банка не закрыта герметично, часть воздуха может выйти из нее, когда муха толкнет его крыльями вниз, что в итоге уменьшит вес банки. Если банка не жесткая, она может слегка расширяться или сжиматься, когда муха изменяет свое положение, изменяя объем и плотность воздуха внутри банки. Или, если воздух внутри банки горячее или холоднее, чем воздух снаружи, на муху может действовать другая выталкивающая сила (отличающаяся от внешней), воздействуя на вес банки.
Эти эффекты очень малы и их трудно измерить, но они не равны нулю.
Один из таких экспериментов провел доктор Джон Нортон из Университета Карнеги-Меллон в 2023 году. Он использовал точные весы, чтобы измерить вес закрытой банки с плодовой мушкой внутри. Оказалось, что вес банки колебался примерно на 0,0001 г во время полета мухи, в зависимости от того, насколько быстро и высоко она летала. Также оказалось, что эти отклонения были вызваны изменениями температуры и давления внутри банки, а не изменения силы тяжести или инерции.
