Demandez à Ethan n ° 93: la pomme de Newton au hasard
Si vous combinez tous les mouvements aléatoires des molécules internes, jusqu'où et à quelle vitesse le sujet se déplacera-t-il?
Des millions de personnes ont vu des pommes tomber et seul Newton a demandé pourquoi.
- Bernard Baruch
L'un des plus grands plaisirs d'un scientifique écrivant sur des sujets favoris pour tous les arrivants est que de temps en temps vous rencontrez une personne qui a été intéressée par une question toute sa vie à laquelle il n'a pas reçu de réponse. Si vous avez ce sentiment, vous pouvez m'envoyer votre question, et peut-être serez-vous aussi chanceux que Mike, qui demande:Cette question me dérange depuis l'enfance. Si tout le mouvement thermique aléatoire des molécules dans la pomme prend la même direction, jusqu'où la pomme va-t-elle voyager? Et que se passera-t-il ensuite?Si vous pensez aux niveaux microscopiques des gros objets, qu'imaginez-vous?
Cellules de pomme colorées
Cellules de pomme non peintes.Peut-être pouvez-vous imaginer un niveau cellulaire augmenté des centaines de fois plus que ce que nous pouvons voir au microscope. Mais vous pouvez aller encore plus loin.Chaque cellule est constituée d'organites, chaque organelle possède son propre ensemble unique de configurations moléculaires qui lui confèrent structure et fonction, et chaque molécule elle-même est constituée de particules plus petites: atomes, électrons, noyaux et même plus petits, quarks et gluons.Vous imaginez peut-être la plus petite des particules de matière et pensez à la façon dont elles s'y déplacent dans une pomme.
S'il s'agissait d'une image exacte d'une pomme, alors pour répondre à la question de Mike, il serait nécessaire de mesurer la température de la pomme - par exemple, ce serait la température ambiante de 298 K - pour calculer la masse de particules, par exemple, une molécule de sucre de 342,3 a. E. m., Et utiliser la théorie moléculaire cinétique pour découvrir à quelle vitesse les molécules se déplacent en moyenne.Il en résultera quelque chose comme 147 m / s, ou 529 km / h. C'est trois fois plus rapide qu'une pomme qui sort d'un canon à pomme.
Si vous parvenez à capter toute l'énergie thermique des mouvements de ces atomes dans la pomme, et avec une efficacité de 100% la traduire en énergie cinétique de la pomme, alors cela se passera de cette façon.Mais avec un tel raisonnement, il y a deux problèmes, ou plutôt, deux raisons pour lesquelles une pomme d'une telle chose ne jettera jamais.1) La loi agaçante de la conservation de l'élan. Le mouvement thermique est aléatoire, ce qui signifie que pour chaque atome ou molécule se déplaçant dans une direction, il y a un autre atome ou molécule se déplaçant dans la direction opposée. Bien sûr, les composants individuels peuvent évoluer rapidement, mais en moyenne, l'élan d'une pomme est nul. De même, une pomme peut comprendre 10 27 protons et 10 27électrons, mais en moyenne aucune force électrique géante n'est observée, car sa charge totale est équilibrée et égale à zéro. Pour la même raison, il est impossible de prendre une configuration aléatoire d'énergie et de la transformer en une cinétique dirigée sans compensation, et sans élan égal et opposé se déplaçant dans la direction opposée à la pomme.Si c'était la seule restriction, il aurait pu être déjoué.Il serait possible d'envoyer une petite partie de la masse de pomme dans une direction à l'aide d'un rebond: une petite masse rebondit sur une grande, qui rebondit encore plus grande, et ainsi de suite.
Soit dit en passant, cette méthode est très importante pour la physique nucléaire et fonctionne dans un phénomène connu sous le nom d'effet Mossbauer ou résonance gamma nucléaire. Il rend les noyaux cristallins stationnaires, ce qui entraîne une petite modification de la quantité de mouvement de l'ensemble du cristal, ce qui provoque le rayonnement de particules individuelles (photons) avec d'énormes énergies / vitesses. L'effet inverse de Mossbauer pourrait permettre à la pomme de voler relativement lentement (147 m / s), tandis qu'une petite partie de celle-ci volerait dans l'autre sens avec un formidable élan.Mais il y a une deuxième raison pour laquelle cela ne se produira pas, et c'est très important.
2) Ces atomes ne sont pas libres, mais liés en molécules, qui sont principalement liées entre elles en de grandes structures solides. Auparavant, nous imaginions des atomes rebondissant les uns sur les autres - et cela décrit bien les liquides, et encore mieux - les gaz et le plasma. Mais nous ne pouvons pas appliquer la même approche aux solides. Nous obtenons un mouvement de vibration et de rotation, mais pas une cinétique libre et rapide.
Une grande quantité d'énergie est stockée dans les liaisons du solide, mais l'énergie thermique présente, qui fait vibrer les atomes, n'est pas suffisante pour rompre ces liaisons et, par conséquent, la pomme reste à l'état solide.Pour briser ces liens, vous avez besoin d'une énorme quantité d'énergie thermique, ce que vous ne pourrez pas obtenir à moins de sécher la pomme, car une température supérieure à 373 K fera simplement bouillir toute l'eau à l'intérieur.
Si nous comprenons que dans notre pomme il n'y a pas de molécules d'eau, de sucre et d'autres molécules libres et séparées, mais qu'il n'y a que de grandes structures (comme les cellules), nous constaterons que les mouvements «aléatoires» individuels sont en réalité beaucoup plus petits. Même si nous supposons (et ce sera une énorme exagération) que la pomme est divisée en particules se déplaçant librement avec une masse de nanogrammes, nous constatons que leur mouvement thermique est extrêmement faible: les vitesses sont d'environ 100 microns par seconde.En d'autres termes, puisque la pomme est solide et que les molécules qu'elle contient sont connectées, ce mouvement thermique ne vous permettra pas d'atteindre une vitesse notable. Même si vous essayez d'atteindre cet état, vous obtiendrez ainsi une pomme chaude qui ne bouge nulle part.
Et bien que ce ne soit peut-être pas la réponse que vous attendiez, le fait de considérer les lois de la physique nous aide à étudier la nature de la matière et à en apprendre un peu plus sur le fonctionnement de l'univers. Envoyez-moi vos questions et suggestions pour les articles suivants.Source: https://habr.com/ru/post/fr397629/
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