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.
Unii supereroi pot ajunge de mărimea unei clădiri după bunul lor plac. E foarte intimidant! Dar un om de știință trebuie să afle de unde provine materialul suplimentar. Legea conservării masei presupune că masa nu poate fi nici creată, nici distrusă, ceea ce înseamnă că greutatea eroului nostru nu se va schimba doar pentru că mărimea i se schimbă. De exemplu, când coacem o prăjitură pufoasă, chiar dacă tratația delicioasă ce rezultă e mult mai mare decât aluatul care a fost pus în cuptor, greutatea aluatului tot ar trebui să fie egală cu greutatea prăjiturii plus umezeala care s-a evaporat. Într-o ecuație chimică, moleculele se rearanjează pentru a forma noi compuși, dar toate componentele trebuie să fie aceleași. Când eroul nostru crește de la 1.8 metri înălțime la 5.4 metri, înălțimea lui se triplează. Legea Cubului lui Galileo spune că înălțimea lui va fi de 27 de ori - 3 ori 3 ori 3 egal 27 - greutatea lui, din moment ce trebuie să crească în toate cele trei dimensiuni. Așadar, când eroul nostru se transformă în uriaș, avem de-a face cu două posibilități. Eroul nostru ajungând la 5.4 metri cântărește doar 90 kilograme, greutatea originală în această formă umană. Acum, opțiunea numărul doi, eroul nostru cântărește 2430 kg - 90 kg ori 27 egal 2430 kg - când are o înălțime de 5.4 metri, ceea ce înseamnă că are tot 2430 kg la 1,8 metri înălțime. Nimeni nu poate să meargă în ascensor cu el fără ca alarma să pornească. Opțiunea numărul doi pare puțin mai plauzibilă științific, dar ridică întrebarea; cum poate să se plimbe în parc fără să se afunde-n pământ, din moment ce presiunea pe care o exercită asupra solului e dată de masa sa corporală împărțită la aria tălpii? Și ce super-șosete și super-pantofi folosește care să reziste la fricțiunea ce rezultă din târârea corpului său de 2430 kg pe șosea când aleargă? Și chiar poate să alerge? Și nici nu o să mai întreb cum își găsește pantaloni suficient de flexibili ca să reziste extinderii. Să explorăm acum densitatea celor două opțiuni menționate mai sus. Densitatea e definită ca masa împărțită la volum. Corpul uman e alcătuit din oase și carne, cu o densitate relativ fixă. La prima opțiune, dacă eroul cântărește 90 kg, atunci ar fi numai carne și oase la mărimea normală. Când se mărește, în timp ce cântărește tot 90 kg, el se transformă într-un ursuleț de jucărie uriaș și pufos. La opțiunea numărul doi, dacă eroul cântărește 2430 kg, ar fi numai carne și oase la 5.4 metri cu o greutate de 2430 kg susținută de cele două picioare. Greutatea ar fi exercitată asupra oaselor picioarelor la unghiuri diferite în timp ce el se mișcă. Oasele, deși tari, nu sunt maleabile, adică nu se îndoaie, deci se rup ușor. Și tendoanele sunt în pericol să se rupă. Clădirile înalte rămân în picioare deoarece au cadre de oțel și nu fug și sar prin junglă. Eroul nostru, pe de altă parte, o aterizare la un unghi greșit și e la pământ. Presupunând că funcționarea corpului e la fel ca la orice mamifer, inima lui ar trebui să pompeze o mare cantitate de sânge în corp pentru a asigura suficient oxigen ca el să poată deplasa 2430 de kilograme. Asta ar necesita foarte multă energie, pe care el ar trebui să o asigure consumând de 27 de ori câte 3.000 de calorii pe zi. Cam cât 150 de Big Mac-uri. 27 ori 3.000 egal 81.000 împărțit la 550 calorii egal 147. Nu ar mai avea timp să lupte împotriva infracțiunilor deaorece ar mânca tot timpul și ar lucra de la 9 la 5 ca să-și poată permite toată mâncarea pe care o consumă. Și cum rămâne cu super-eroii care-și pot schimba corpul în piatră sau în nisip? Ei bine, totul pe Pământ e alcătuit din elemente. Ceea ce definește fiecare element e numărul de protoni din nucleu. Acesta e modul în care e organizat tabelul nostru periodic. Hidrogenul are un proton, heliu, doi, litiu, trei, și așa mai departe. Componenta de bază a celei mai comune forme de nisip e dioxidul de siliciu. Corpul uman e compus din 65% oxigen, 18% carbon, 10% hidrogen, și 7% diverse alte elemente, inclusiv 0.002% siliciu. Într-o reacție chimică, elementele se combină din nou pentru a forma noi compuși. Așadar, de unde ia el tot acest siliciu necesar producerii nisipului? Sigur, putem modifica elementele prin fuziune sau fisiune nucleară. Totuși, fuziunea nucleară necesită atât de multă energie, singura apariție naturală a acestui proces e în cazul stelelor. Pentru a utiliza fuziunea într-un timp scurt, temperatura ariei trebuie să fie mai mare decât a Soarelui. Bieții spectatorii se vor face scrum. Fisiunea nucleară rapidă nu e cu nimic mai bună deoarece rezultă adesea în particule radioactive. Eroul nostru ar deveni o centrală nucleară care se plimbă și vorbește, rănind fiecare persoană pe care încearcă să o salveze. Și chiar ți-ai dori arșița Soarelui sau o centrală nucleară în corpul tău? Care lecție de fizică despre superputeri ai vrea să o explorezi în continuare? Puterea de ați modifica forma și conținutul, super-viteza, zborul, super-forța, nemurirea, și invizibilitatea.