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.
Bazı süper kahramanlar istediklerinde bir bina büyüklüğüne erişebilirler. Bu çok korkutucu! Ama bir bilim insanı fazladan materyalin nereden geldiğini sormalı. Kütlenin Korunumu Yasası, kütlenin ne yaratılabileceğini, ne de yok edilebileceğini söyler, bunun anlamı kahramanımızın büyüklüğünün değişmesi illa ki kütlesini değiştirmeyecek. Örneğin, pofuduk sünger kek pişirdiğimizde, ortaya çıkan güzel ziyafet fırına giren kek hamurundan çok daha büyük olsa da, kek hamurunun ağırlığı hâlâ kekin ağırlığı ile buharlaşan nemin toplamıdır. Kimyasal bir denklemde moleküller yeni bileşikler meydana getirmek için yeniden düzene girerler, ama bütün bileşenler yine de hesaba katılmalıdır. Kahramanımız 1,83 m uzunluktan 5,49 m uzunluğa eriştiğinde, boyu üç kat artmış olur. Galileo Kare Küp Kanununa göre ağırlığı normal ağırlığının - 3 çarpı 3 çarpı 3, eşittir 27 - 27 katı olacaktır, çünkü üç yöne de genişlemesi gerekiyor. Yani süper kahramanımız bir deve dönüştüğünde, iki olasılıkla uğraşıyoruz. 5,4m ulaşan kahramanımız hâlâ sadece 90,72 kg ağırlığındadır, yani insan şeklindeyken olan orijinal ağırlığında. İkinci seçenek ise, kahramanımız 5.4m boyundayken -90,72 çarpı 27, eşittir 2.449 kg - 2.449 kg ağırlığındadır, bu da boyu 1,8m olsa bile 2,449 kg ağırlığında olduğu anlamındadır. Hiç kimse alarm çalmadan onunla aynı asansöre binemez. İkinci seçenek bilimsel olarak biraz daha akla yatkın, ama bir soruyu akla getiriyor; yere gömülmeden bir parkta nasıl yürüyebilecek? Çünkü toprağa yaptığı basınç, kütlesinin ayaklarının altındaki alana bölümüyle hesaplanıyor. Koştuğunda 2.449 kg ağırlığındaki vücudunu yolda sürüklemesinden kaynaklanan sürtünmeye karşı ne tür bir süper çorap ve süper ayakkabı giyecek? Peki sahiden koşabilecek mi? Genişlemeye dayanacak kadar esnek bir külot nasıl bulacağını sormuyorum bile. Şimdi yukarıda bahsedilen iki seçeneğin yoğunluğuna bakalım. Yoğunluk, hacmin kütleye bölünmesi olarak tanımlanır. İnsan bedeni et ve kemikten ibarettir, ki nispeten yoğunluğu bellidir. Birinci seçenekte, eğer kahramanın ağırlığı hep 90kg olursa, normal büyüklüğünde et ve kemik olacaktır. Daha büyük olduğunda ise, hâlâ 90 kg ağırlığa sahipse esasen kendini büyük, kabarık bir oyuncak ayıya çevirmiş olacak. İkinci seçenekte eğer kahramanın ağırlığı hep 2.449 kg olursa, o zaman iki ayağı üstünde duran 2.449 kg ağırlığında 5,4m'lik bir et ve kemik olur. Ağırlık, hareket ettiği sırada bacak kemiklerine farklı açılardan gelecek. Kemikler serttir, esnek değildir, yani bükülmezler, bu yüzden de kolayca kırılırlar. Aynı zamanda kirişleri yırtma riski de var. Yüksek binalar ayakta dururlar, çünkü çelik iskeletleri vardır ve ormanda koşup zıplamazlar. Diğer yandan, kahramanımız eğer kötü bir açıyla inerse yere kapaklanır. Vücut fonksiyonlarının diğer memeliler gibi olduğunu varsayarsak, kalbi 2.449 kg vücut ağırlığını taşımak için gerekli oksijeni sağlamak üzere büyük miktarda kan pompalamak zorunda kalacaktır. Bu inanılmaz bir enerji gerektirir, ki bunu günde 27 kere 3.000 kalori yiyecek tüketerek sağlaması gerekir. Bu ise kabaca 150 Big Mac'tir. 27 çarpı 3.000, eşittir 81.000'dir, onu da 550 kaloriye bölünce 147 çıkar. Suçla savaşmaya zamanı kalmaz, çünkü sürekli yemek yiyecek ve yediği bütün yiyecekleri alabilmek için 9-5 arası bir işte çalışacaktır. Peki vücutlarını kayaya veya kuma çevirebilen süper kahramanlar? Dünyadaki her şey elementlerden yapılmıştır. Her elementi tanımlayan şey, çekirdekteki proton sayılarıdır. Periyodik tablomuz bu şekilde düzenlenmiştir. Hidrojende bir proton, helyumda iki proton, lityumda üç proton vardır ve bu şekilde devam eder. Kumun en yaygın şeklinin ana bileşeni silisyum dioksittir. Bu arada insan vücudu yüzde 65 oksijen, yüzde 18 karbon, yüzde 10 hidrojen ve yüzde 7 diğer elementleri içerir, yüzde 0,002 silisyum da dâhil. Bir kimyasal reaksiyonda elementler yeni bileşenler meydana getirmek üzere tekrar bir araya gelir. Peki kahraman kumu meydana getirmek için gerekli bütün o silisyumu nasıl buluyor? Elbette elementleri nükleer füzyon veya nükleer fisyonla değiştirebiliriz. Ancak nükleer füzyon çok fazla ısı gerektirir, bu yalnızca yıldızlarda doğal bir şekilde olan bir süreçtir. Füzyonun çok kısa bir sürede olması için alanın sıcaklığının güneşten daha sıcak olması gerekir. Her masum izleyici yanıp kül olacaktır. Hızlı nükleer fisyon daha iyi değildir, çünkü çoğu kez pek çok radyoaktif parçacık ile sonuçlanır. Kahramanımız yürüyen, konuşan bir nükleer güç santralına dönecektir, sonunda kurtarmaya çalıştığı herkese zarar verecektir. Gerçekten vücudunuzun içinde güneşin sıcaklığını veya radyoaktif nükleer santral istiyor musunuz? Şimdi bundan sonra hangi süper güç fizik dersini keşfedeceksiniz? Beden büyüklüğünü ve hacmini değiştirme, süper hız, uçma, süper kuvvet, ölümsüzlük ve görünmezlik.