Porque cuando empujas el objeto sumergido hacia arriba, el agua circundante cae hacia abajo.
Supongamos que un niño quiere levantar a su hermana. Intenta simplemente levantarla, pero eso es difícil para un niño pequeño. Se necesita mucha energía para levantarla. Finalmente, él golpea de una manera más fácil:
Si el niño es más pesado, puede levantar a su hermana sin ningún esfuerzo, simplemente cayendo. (Para empezar, tendrá que hacer un esfuerzo para llegar a la cima del balancín, por supuesto. Nada es realmente gratis.) Si es más ligero que ella, solo necesitará un pequeño empujón hacia abajo para enviarlo. él abajo y su hermana arriba. [1] [2] Todavía la está levantando, pero la energía para hacerlo proviene de la energía que libera al caer (su energía potencial gravitacional) en lugar de la energía que usan sus músculos (su energía potencial química).
El sube y baja no es especial a este respecto. Hay muchas maneras en que puede levantar una cosa fácilmente siempre que otra cosa caiga para compensar. Aquí hay un segundo ejemplo:
Este es un famoso problema de física. Si el mono es más pesado, caerá y los plátanos subirán, por lo que esta es una forma de levantarlos fácilmente. Incluso si los plátanos son más pesados que el mono, no tendrás que empujarlos muy fuerte para levantarlos.
En caso de que te lo preguntes, el problema es: si el mono y las bananas pesan lo mismo y el mono quiere obtener las bananas, ¿qué debe hacer? [3] [4]
Aquí hay un último ejemplo de la misma idea:
El obelisco es demasiado pesado para que las personas lo levanten verticalmente en terreno plano. Para realizar el trabajo, configuran las cosas de modo que a medida que avanza de (2) a (3), la parte superior del obelisco se eleva, pero la parte inferior del obelisco cae. La caída del fondo suministra la mayor parte de la energía para que la parte superior se eleve.
Supongamos que quieres levantar un hipopótamo. Claramente, necesitará ayuda, pero la mejor manera no es con un balancín o una polea. Solo pon el hipopótamo bajo el agua.
Tome un parche imaginario de agua que está justo encima del hipopótamo. El agua y el hipopótamo pesan casi la misma cantidad. En tu mente, levanta al hipopótamo hacia el parche de agua. ¿A dónde va el agua desplazada? Baja al espacio que dejó el hipopótamo. El hipopótamo en ascenso es compensado por la caída del agua.
Esto no es exactamente lo que sucede. El agua directamente sobre el hipopótamo es empujada hacia los lados, parte del agua de los costados cae, parte del agua del fondo se precipita hacia adentro, etc. Eso ni siquiera menciona las olas y los remolinos que se activan cuando el hipopótamo se mueve. Sin embargo, esos detalles realmente no importan. [5] Es el resultado neto lo que importa. El resultado neto aquí es que el hipopótamo gana energía al estar más arriba, pero el agua en su conjunto pierde casi exactamente la misma cantidad de energía para compensar.
Un experimento más. Tome una bola de boliche, sosténgala en alto y suéltela. ¿Cuánto te levanta? Ninguno, por supuesto. Simplemente cae al suelo. Para aprovechar la energía que libera la bola, debes configurarla para que la única forma de que la bola caiga es que te eleves en el proceso, quizás a través de un mecanismo de polea complicado.
En el caso del balancín, el niño solo puede caerse si la niña se levanta al mismo tiempo, a menos que el tablero se rompa. Afortunadamente, el tablero se mantiene unido por enlaces atómicos que tomarían mucha energía para romperse. La parte inferior del obelisco solo puede bajar si la parte superior sube, nuevamente, a menos que se rompa. Del mismo modo, la única forma en que el hipopótamo puede subir es bajando el agua circundante. Si imaginamos que el hipopótamo sube y baja muy lentamente, no hay otra energía para explicar que no sea la energía potencial gravitacional del hipopótamo y el agua. Esto es bastante diferente de la bola de boliche, donde la energía de la bola que cae se deforma al piso, hace ruidos fuertes, rompe los dedos de los pies, etc.
Algo interesante que notará la próxima vez que se cuela en el recinto de un zoológico y pruebe esto es que, aunque es fácil levantar al hipopótamo bajo el agua, aún no puede hacerlo rápidamente. El hipopótamo parece ser ligero, pero también es extremadamente masivo. De [math] F = ma [/ math], si el hipopótamo tiene una masa enorme y aplica una fuerza pequeña, la aceleración del hipopótamo será muy pequeña. Recuerdo claramente ser un niño y levantar a mi padre bajo el agua cuando nadamos juntos. Aunque podía levantarlo con una mano, incluso cuando empujaba con fuerza solo podía levantarlo gradualmente. La desconexión entre el peso aparente y la masa es bastante extraña.
Entonces, ¿por qué puedes levantar un hipopótamo bajo el agua? Porque la energía que toma en tierra proviene de
[matemáticas] \ text {energía del hipopótamo en aumento} = \ text {energía que gastas} [/ math]
pero bajo el agua, es
[matemáticas] \ text {energía del hipopótamo en ascenso} – \ text {energía de la caída de agua} [/ matemáticas]
[matemáticas] {} \, \, \, = \ text {energía que gastas} [/ matemáticas]
Entonces, si quieres energía gratis para siempre, ¡todo lo que necesitas hacer es encontrar un suministro infinito de hipopótamos más ligeros que el agua en el fondo del mar!
[1] Esto supone que los centros de masa de los hermanos están a la misma distancia del punto de pivote. Si desea ver y ver uniformemente con alguien que pesa la mitad que usted, muévase para que esté la mitad del pivote. De esa manera, cuando baja, suben el doble de la distancia, y el total (kilogramos de peso * distancia recorrida) es el mismo para ambos. Esto equilibrará el subibaja.
[2] Lo que empuja no está claro. Es posible que necesite a su hermana o un adulto cercano para empujar, o podría estar sosteniendo una cuerda atada al suelo que puede usar para tirar hacia abajo. Cualquiera sea el método, la fuerza que necesita usar es la diferencia entre su peso y el peso de su hermana, suponiendo que la fuerza se aplicará en su centro de masa.
[3] respuesta: caca
[4] Bien, mentí allí en la nota [3]. Debería intentar escalar la cuerda normalmente. Esto aumentará la tensión en la cuerda y hará que tanto él como los plátanos se eleven. Sin embargo, esta es la respuesta bajo una serie de idealizaciones que pueden no ser válidas para los monos reales.
[5] Importan porque son importantes para tus esfuerzos. De hecho, si haces muchas olas y remolinos mientras levantas el hipopótamo, encontrarás que se necesita una fuerza mayor que la que tendría levantarlo sin esos efectos. Lo que quise decir al decir que no son importantes es que no son una parte esencial del proceso: podríamos prescindir de ellos y el hipopótamo aún sería fácil de levantar. Estamos estudiando la mecanodinámica de equilibrio de los hipopótamos.
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