Some superheroes can grow to the size of a building at will. That's very intimidating! But a scientist must ask where the extra material is coming from. The Law of Conservation of Mass implies that mass can neither be created nor destroyed, which means that our hero's mass will not change just because his size changes. For instance, when we bake a fluffy sponge cake, even though the resulting delicious treat is much bigger in size than the cake batter that went into the oven, the weight of the cake batter should still equal the weight of the cake plus the moisture that has evaporated. In a chemical equation, molecules rearrange to make new compounds, but all the components should still be accounted for. When our hero expands from 6 feet tall to 18 feet tall, his height triples. Galileo's Square Cube Law says his weight will be 27 - 3 times 3 times 3 equals 27 - times his regular weight since he has to expand in all three dimensions. So, when our superhero transforms into a giant, we are dealing with two possibilities. Our hero towering at 18 feet still only weighs 200 pounds, the original weight in this human form. Now, option two, our hero weighs 5,400 pounds - 200 pounds times 27 equals 5,400 pounds - when he is 18 feet tall, which means he also weighs 5,400 pounds when he is 6 feet tall. Nobody can get in the same elevator with him without the alarm going off. Now, option two seems a little more scientifically plausible, but it begs the question, how does he ever walk through the park without sinking into the ground since the pressure he is exerting on the soil is calculated by his mass divided by the area of the bottom of his feet? And what kind of super socks and super shoes is he putting on his feet to withstand all the friction that results from dragging his 5,400 pound body against the road when he runs? And can he even run? And I won't even ask how he finds pants flexible enough to withstand the expansion. Now, let's explore the density of the two options mentioned above. Density is defined as mass divided by volume. The human body is made out of bones and flesh, which has a relatively set density. In option one, if the hero weighs 200 pounds all the time, then he would be bones and flesh at normal size. When he expands to a bigger size while still weighing 200 pounds, he essentially turns himself into a giant, fluffy teddy bear. In option two, if the hero weighs 5,400 pounds all the time, then he would be bones and flesh at 18 feet with 5,400 pounds of weight supported by two legs. The weight would be exerted on the leg bones at different angles as he moves. Bones, while hard, are not malleable, meaning they do not bend, so they break easily. The tendons would also be at risk of tearing. Tall buildings stay standing because they have steel frames and do not run and jump around in the jungle. Our hero, on the other hand, one landing at a bad angle and he's down. Assuming his bodily function is the same as any mammal's, his heart would need to pump a large amount of blood throughout his body to provide enough oxygen for him to move 5,400 pounds of body weight around. This would take tremendous energy, which he would need to provide by consuming 27 times 3,000 calories of food every day. Now, that is roughly 150 Big Macs. 27 times 3,000 calculated equals 81,000 calculated slash 550 calories equals 147. He wouldn't have time to fight crime because he would be eating all the time and working a 9-to-5 job in order to afford all the food he eats. And what about superheroes who can turn their bodies into rocks or sand? Well, everything on Earth is made out of elements. And what defines each element is the number of protons in the nucleus. That is how our periodic table is organized. Hydrogen has one proton, helium, two protons, lithium, three protons, and so on. The primary component of the most common form of sand is silicon dioxide. Meanwhile, the human body consists of 65% oxygen, 18% carbon, 10% hydrogen, and 7% of various other elements including 0.002% of silicon. In a chemical reaction, the elements recombine to make new compounds. So, where is he getting all this silicon necessary to make the sand? Sure, we can alter elements by nuclear fusion or nuclear fission. However, nuclear fusion requires so much heat, the only natural occurrence of this process is in stars. In order to utilize fusion in a short amount of time, the temperature of the area needs to be hotter than the Sun. Every innocent bystander will be burned to a crisp. Rapid nuclear fission is not any better since it often results in many radioactive particles. Our hero would become a walking, talking nuclear power plant, ultimately harming every person he tries to save. And do you really want the heat of the Sun or a radioactive nuclear plant inside of your body? Now, which superpower physics lesson will you explore next? Shifting body size and content, super speed, flight, super strength, immortality, and invisibility.
Alcuni supereroi possono crescere fino alla dimensione di un palazzo a loro volontà. È davvero spaventoso!! Ma uno scienziato di sicuro si chiederebbe da dove proviene il materiale extra. La Legge della Conservazione della Massa dice che la massa non può essere né creata né distrutta, questo significa che la massa del nostro eroe non cambia solo perché cambia la sua dimensione. Per esempio, quando vogliamo cucinare una di quelle torte soffici e gonfie, anche se il delizioso risultato è molto più grande del preparato che abbiamo messo nel forno, il peso del preparato della torta dovrebbe essere uguale al peso della torta stessa tenendo conto di ciò che è evaporato. In un'equazione chimica le molecole si riorganizzano per creare nuovi composti, ma vengono presi in considerazione tutti i componenti. Quando il nostro eroe cresce da un'altezza di 1,80 metri a 5 metri, le sue dimensioni triplicano. La legge del Cubo-Quadrato di Galileo afferma che il suo peso sarà 27 volte - 3 per 3 per 3 è uguale a 27- il suo normale peso dato che deve espandersi in tutte e tre le dimensioni. Quindi, quando il nostro supereroe si trasforma in un gigante, abbiamo a che fare con due possibilità. Il nostro gigantesco eroe di 5 metri continua a pesare 90 chili, il peso originale della sua forma umana. Oppure, opzione numero due, il nostro eroe pesa 2000 chili - 90 chili per 27 è uguale a circa 2000 chili - quando è alto 5 metri il che significa che pesa 2000 chili anche quando è alto 1,80 metri. Nessuno potrebbe entrare in ascensore con lui senza mandare in tilt il sistema di allarme. Ora, l'opzione numero due sembra un po' più accettabile dal punto di vista scientifico ma la domanda che sorge spontanea è: come potrebbe mai camminare in un parco senza affondare nel terreno dal momento che la pressione che esercita sul suolo è calcolata prendendo la sua massa e dividendola per l'area della pianta del suo piede? E poi che tipo di "super-scarpe" o "super-calze" dovrà mettere ai piedi per sopportare l'attrito sull'asfalto quando corre, tenendo conto che deve trasportare un corpo da 2000 chili? O ancora più semplicemente, potrebbe mai correre? E non voglio nemmeno chiedermi dove trovi pantaloni così elastici da sopportare la sua espansione. Ora, calcoliamo la densità delle due opzioni precedentemente riportate. La densità è definita come la massa divisa per il volume. Il corpo umano è composto da ossa e carne, quindi ha una densità relativamente fissa. Nella prima opzione, se l'eroe pesa sempre 90 chili, allora le sue ossa e la sua carne saranno di dimensioni normali. Quando si espande a una maggiore dimensione mentre pesa sempre 90 chili sostanzialmente si trasforma in un gigantesco orsetto morbido. Nella seconda opzione, se l'eroe pesa sempre 2000 chili, allora sarebbe carne e ossa a 5 metri di altezza con 2000 chili di peso sostenuti da due gambe. Il peso sarebbe esercitato sulle ossa delle gambe da diverse angolature man mano che si muove. Le ossa, essendo dure, non sono malleabili, quindi non si piegano, ma si rompono facilmente. Mentre i tendini correrebbero il rischio di strapparsi. Gli alti palazzi stanno in piedi perché hanno una struttura di acciaio e non corrono e saltano per la giungla. Il nostro eroe invece, se cadesse con una brutta inclinazione sarebbe finito. Supponendo che le sue funzioni biologiche siano le stesse degli altri mammiferi, il suo cuore dovrebbe pompare una grande quantità di sangue attraverso il suo corpo per procurargli abbastanza ossigeno per fargli portare in giro 2000 chili di peso. Questo richiederebbe moltissima energia, che dovrebbe procurarsi mangiando 27 volte 3000 calorie di cibo ogni giorno. Questa quantità corrisponde all'incirca a 150 Big Mac. 27 volte 3000 è uguale a 81 000 diviso 550 calorie fa 147. Non avrebbe tempo di combattere il crimine perché dovrebbe mangiare tutto il tempo e lavorare a tempo pieno per permettersi di pagare tutto il cibo che mangia. E cosa mi dite dei supereroi che possono trasformare i loro corpi in roccia o sabbia? Tutto sulla Terra è composto da elementi. Ciò che definisce ogni elemento è il numero di protoni nel nucleo. Questo è il criterio con cui è organizzata la nostra tavola periodica. L'idrogeno ha un protone, l'elio ne ha due, il litio, tre protoni e così via. Il componente primario della sabbia comune è il diossido di silicio. Mentre il corpo umano è composta per il 65% da ossigeno, il 18% da carbonio il 10% da idrogeno e un 7% di altri elementi vari fra cui 0.002% di silicio. In una reazione chimica, gli elementi si ricombinano per formare nuovi composti. Dunque, da dove prende tutto il silicio necessario per costituire la sabbia? Sicuramente possiamo alterare gli elementi con la fusione o la fissione nucleare Tuttavia, la fusione nucleare richiede così tanto calore che questo processo è possibile in natura solo nelle stelle. Per poter utilizzare la fusione in un breve arco di tempo, la temperatura dell'area dovrebbe essere più calda di quella del Sole. Tutti gli innocenti passanti sarebbero bruciati come delle patatine. Una fusione nucleare rapida non sarebbe meglio visto che spesso si ottengono come scarti particelle radioattive. Il nostro eroe diventerebbe una centrale nucleare che parla e cammina che finirebbe con il ferire tutte le persone che cerca di salvare. E voi vorreste davvero il calore del Sole o una centrale nucleare radioattiva dentro il vostro corpo? Allora, quale lezione di fisica sui superpoteri scoprirete prossimamente? Cambiare la forma e contenuto del corpo, super velocità volo super forza immortalità e invisibilità.