Будет ли банка, в которой летает муха, тяжелее банки без мухи?

Про электричку мы уже однажды говорили на канале и выяснили, что там весь фокус в движении воздуха. Теперь обсудим проблему с летающей мухой.

Для того, чтобы правильно ответить на этот вопрос, достаточно представления об общем курсе механики. Можно конечно разобраться в 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 вовсе нет воздуха. Сможет ли она вообще летать? Конечно же нет! Ибо весь процесс полёта строится на том, что муха «упирается» крылышками в воздух и отталкивается от него.

Чтобы оставаться в воздухе, мухе приходится толкать воздух вниз с силой, равной ее весу, и эта сила передается банке через давление воздуха.

Получается, 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 случайно мы выделили фразу «герметично закрытой».

Вес банки с мухой всё-таки может меняться 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-то из этих условий не соблюдено, то вес банки может незначительно меняться во время полета мухи.

Например, 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 меняет 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 наружной), влияющая 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. Обнаружилось, что вес банки колебался примерно на 0,0001 грамма во время полета мухи, в зависимости от того, насколько быстро и высоко она летела. Также обнаружилось, что эти отклонения были вызваны изменениями температуры и давления внутри банки, а не изменениями силы тяжести или инерции.