Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

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Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 15:15

Expérience de pensée.
Une boîte totalement hermétique et indestructible contient une bombe nucléaire. Rien ne peut s'échapper de la boite (ni énergie ni matière, rien)
On pose la boîte sur une balance (la balance est posée sur terre), mettons que l'aiguille de la balance indique 10,000000000000000 kg.
Puis la bombe placée dans la boîte explose : une partie de la masse est convertie en rayonnement électromagnétique (photons) mais qui reste piégé dans la boîte.

Question : l'aiguille de la balance bouge-t-elle ? Autrement dit le poids de la boîte a-t-il changé ? Et sa masse ?
EDIT : la question est juste de savoir si l'aiguille va se stabiliser vers 9,99990000000 kg suite à la conversion d'une partie de la matière contenue dans la boîte en photons (qui comme chacun sait ont une masse nulle)

Moi je pense que l'aiguille ne bouge pas et la masse est conservée.
D'après hobb, l'aiguille bouge. Mais il a tort, n'est-ce pas ?

EDIT :
La question est juste de savoir si une partie de la masse (ou du poids) de la boîte a disparu suite à la conversion d'une partie de la matière contenue en photons (qui ont une masse nulle)
La logique de hobb est que comme les photons sont de masse nulle, ils ne contribuent pas à la masse de la boîte, d'où un défaut de masse après l'explosion.


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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 15:46

Le volume de la boite reste constant donc ?

La première question qu'on pourrait se poser, serait déjà de savoir si la masse est bien constante. Une fois qu'on aurait éventuellement établi cela,

je ne vois pas bien comment l'aiguille pourrait bouger, dans la mesure ou pour qu'elle bouge, il faudrait qu'une force s'applique. Bien sûr il y a bien la force d'Archimède, mais si le volume de la boite reste bien constant ...

En fait si la boite est parfaitement isolée, et avec un peu d'ingéniosité, on devrait logiquement pouvoir obtenir une superposition de la bombe explosée, et non explosée à l'intérieur. Auquel cas il semble difficile d'envisager que la boite puisse à la fois demander à l'aiguille de conserver sa position (bombe non explosée) et à la fois demander à l'aiguille de ne pas conserver sa position (bombe explosée).

Enfin ça me semble donc intuitivement assez évident, mais de là à fournir une démonstration qui tienne vraiment la route ...
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par ortolan le Sam 13 Aoû 2016 - 15:53

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Dernière édition par ortolan le Ven 22 Déc 2017 - 15:44, édité 1 fois
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 15:59

Ortolan : ce que tu dis revient presque à mettre la boite parfaitement en équilibre sur une pointe, et se demander simplement si elle tombe au moment de l'explosion.

On pourrait donc construire une autre expérience, avec non plus une bombe, mais un petit automate à l'intérieur de la boîte. Un robot capable de se mouvoir dans cette boite immobile en équilibre sur une tête d'épingle (ou disons une pointe juste assez grosse pour que l'équilibre soit possible).

Maintenant l'automate équipé de roulettes, se met à rouler dans la boite ... est ce que la boite tombe ?

Si on pense qu'elle tombe, alors on peut sans doute espérer que l'aiguille de la balance va tout de même bouger.

Et du coup je me demande s'il est possible d'isoler totalement l'information qui est à l'intérieur de la boite, puisque si on suppose qu'on peut déterminer que "quelque chose s'est passé ou non", alors c'est que l'information est bien sortie de la boite, et donc qu'elle n'était pas parfaitement isolée.

Mhhh, j'y comprends rien ...
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Darth Lord Tiger Kalthu le Sam 13 Aoû 2016 - 16:02

HS qui doit en démanger plus d'un:
Y a un chat dans la boite ?

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 16:07

Kalthu a écrit:
HS qui doit en démanger plus d'un:
Y a un chat dans la boite ?

Donc oui, on mettrait un dispositif de Schrödinger dans une boîte, puis après un temps déterminé où le dispositif se désactive (explosé ou non), on pose la boite en équilibre instable ... si le chat est vivant, il devrait en bon chat secouer la boite ... et donc elle devrait tomber ... non ?

Donc il n'y a pas de paradoxe du coup. A moins que la boite isolée ne puisse pas tomber ... mais intuitivement, je suis complétement convaincu que mettre une boite en équilibre instable avec un chat vivant dedans relève de la science fiction !
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 16:58

Bon j'ai édité mon message car il y a avait ambiguïté sur la nature de ma question. Je me fous complètement de la dynamique qui survient suite à l'explosion (pour écarter ce problème, on peut supposer que la boite ce qui est à l'intérieur a une symétrie sphérique)
La question est juste de savoir si la boîte pèse moins lourd après l'explosion suite à la conversion de matière en photons de masse nulle.

Et j'en profite pour donner l'explication sérieuse du phénomène. Il est vrai que chaque photon pris isolément a une masse nulle, mais en relativité, la masse d'un système n'est pas égale à la somme des masses de ses constituants. Ainsi même si chaque photon a une masse nulle, le système composé de l'ensemble des photons émis dans la boite, qui ont une quantité de mouvement totale p=0, possède bien une masse non nulle.

Pour expliquer les choses de manière minimaliste : deux photons allant dans des directions opposées ont collectivement une masse non nulle, même si chacun des photons pris isolément a une masse nulle.

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 17:08

Je sais pas si ta nouvelle question résous vraiment tous les problèmes, car en fin de compte la boite posée sur la balance n'est pas isolée de la balance. Si l'aiguille bouge, (suite à la dynamique de l'explosion), c'est qu'une force s'est exercée ... et donc je dirais en première approximation qu'on peut en déduire que la masse de la boite a varié.
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 17:15

Stauk a écrit:Je sais pas si ta nouvelle question résous vraiment tous les problèmes, car en fin de compte la boite posée sur la balance n'est pas isolée de la balance. Si l'aiguille bouge, (suite à la dynamique de l'explosion), c'est qu'une force s'est exercée ... et donc je dirais en première approximation qu'on peut en déduire que la masse de la boite a varié.

Heu non, si dans la boîte il y un petit bonhomme qui s'amuse à faire des sauts, l'aiguille va bouger à droite quand il va prendre appui sur ses jambes, puis à gauche quand il sera en l'air et puis à droite quand il va retoucher le sol. Mais à la fin l'aiguille va retrouver sa position initiale : ce n'est qu'un déséquilibre temporaire. Mais j'insiste, ce n'est pas cette question qui m'intéresse, même si c'est ça qui a l'air de vous amuser tous sur le forum !

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 17:23

Bon donc ta question est : on prend la boite, on la pèse sur terre, on l'emmène dans l'espace, on attends que ça ait explosé à l'intérieur, on la ramène sur terre, on la repèse à nouveau, est ce que le résultat est le même ?

Ou en d'autres termes, est ce que deux boites de même masse totale ont le même poids ?

A moins que ce qui t'intéresse soit la question de savoir si la masse varie ... mais dans ce cas autant poser la question directement non ? "est ce que selon vous la masse varie" ?
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 17:31

Stauk a écrit:Bon donc ta question est : on prend la boite, on la pèse sur terre, on l'emmène dans l'espace, on attends que ça ait explosé à l'intérieur, on la ramène sur terre, on la repèse à nouveau, est ce que le résultat est le même ?

Oui voilà ! C'est exactement ça !

Stauk a écrit:
Ou en d'autres termes, est ce que deux boites de même masse totale ont le même poids ?

Voilà parce que au moment de la discussion avec hobb, il avait l'air vachement sur que la masse de la boîte variait. Alors à ce moment moi j'étais pas trop sur de quelle était exactement la définition de la masse et comment ça marchait, mais ce dont j'étais absolument à sur à 100%, c'est que la boîte serait toujours aussi difficile à accélérer (sinon il y aurait non conversation de la quantité de mouvement!)
J'ai réussi à faire entendre raison à hobb sur ce point, mais après il a insisté que même si la boîte était toujours aussi difficile à accélérer (masse inertielle non changée) et ben par contre, posée sur une balance, elle pèserait moins lourd.
Mais alors ça, c'est en contradiction avec le principe d'équivalence : égalité en masse inertielle et masse gravitationnelle, ce qui est impossible également.



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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 17:37

Donc en somme, tu nous apprends d'une part que deux photons de masse nulle n'ont pas forcément une masse nulle, et que par ailleurs tu es d'accord avec toi même pour nous dire que hobb avait tort ....

je ne vois pas quoi ajouter de plus !

C'est plus un témoignage qu'une question, presque. Enfin la question serait de savoir ce que pense un physicien de tout ce qu'on a dit (y compris l'affaire des deux photons donc)
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 17:43

Ben oui voilà, j'aurai voulu avoir confirmation de la part d'un (vrai) physicien que j'ai bien raison. Mais aussi j'ai cru voir qu'il y a des confusion sur certains forums de physique en anglais ou certains prétendent que la masse n'est pas conservée en relativité.
Donc si un gars à priori sérieux s'était ramené pour dire le contraire, j'aurais pu prendre un malin plaisir à l'humilier en lui montrant que je maîtrise mieux la question que lui, ce qui aurait quand même été super cool Smile

Ce qu'il faudrait peut-être ce serait demander à prince zeta ce qu'il en pense, ne serait ce que par curiosité.

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 17:46

stupeflip666 a écrit:
Ce qu'il faudrait peut-être ce serait demander à prince zeta ce qu'il en pense, ne serait ce que par curiosité.

C'est une idée .. peut être par mp du coup ... vous nous raconterez !
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Sun Simiao le Sam 13 Aoû 2016 - 20:36

Certain à 100% que la boîte serait nettement plus légère après l'explosion,
une partie de la masse initiale ayant été transformée en énergie cinétique. (Note qu'on ne pourrait pas arrêter totalement le rayonnement gamma, qui s'échapperait en partie de la boîte.)
C'est le principe même de la conversion masse/énergie !
"Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" : tu ne peux gagner une (énorme) activité énergétique sans perdre de la masse, lorsque tu utilises un procédé qui utilise l'énergie potentielle de l'instabilité de noyaux atomiques pour les détruire par réaction en chaîne.
La boîte perd en masse, donc en masse inertielle, elle est plus facile à accélérer. Par contre, elle a sacré paquet d'énergie enfermé en elle, et je te déconseille fortement de l'ouvrir car tu risques d'y passer -ce qui n'était pas le cas avant l'explosion ! Ca me rappelle la fin du film Kiss Me Deadly (En quatrième vitesse en VF)  Smile

La photosynthèse c'est le miracle inverse : mets une jeune petite plante dans une boîte hermétique, avec l'eau qu'il lui faut, la terre... et tu verras qu'elle gagne énormément en masse en absorbant une partie de l'énergie des photons qui la frappent et qui elle, disparaît donc.
Je te conseille plutôt cette expérience, beaucoup plus écologique et que tu peux réaliser facilement ! Very Happy
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 20:59

Bon je suppose que TOUT reste dans la boîte (même si en pratique je sais bien que c'est impossible, mais il s'agit d'une expérience de pensée théorique)

Alors je vais répéter exactement ce que j'ai dit à hobb : si la boîte perd de la masse, cela signifierait qu'elle serait plus facile à accélérer n'est ce pas ?
Mais cela impliquerait une non conversation de la quantité de mouvement, par un raisonnement que je veux bien détailler. Donc c'est totalement impossible !


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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Sun Simiao le Sam 13 Aoû 2016 - 21:05

Oui, je veux bien que tu détailles, on verra où ça cloche Wink

A tous les coups c'est dans les prémisses, donc commence par là déjà.

(Prends mon exemple de plante dans une boîte hermétique. L'énergie est apportée par des photons de masse nulle, s'ils étaient tous présents dans la boîte au départ, ça reviendrait au même niveau masse. Et la boîte gagne en masse !
C'est tout simplement l'inverse dans la boîte théorique où se passe l'explosion nucléaire, à la différence que tous les rayonnements sont piégés dans la boîte.
Certains pensent d'ailleurs que ces réactions ayant lieu dans les trous noirs par effet gravitationnel limiteraient leur masse à un maximum. Meuh j'en sais rien, si ça tient la route comme hypothèse.


Dernière édition par Sunsimiao le Sam 13 Aoû 2016 - 21:16, édité 1 fois
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 21:09

Sunsimiao a écrit:Certain à 100% que la boîte serait nettement plus légère après l'explosion,
une partie de la masse initiale ayant été transformée en énergie cinétique

Sunsimiao a écrit:tu ne peux gagner une (énorme) activité énergétique sans perdre de la masse

Sunsimiao a écrit:La boîte perd en masse, donc en masse inertielle, elle est plus facile à accélérer.

Et bah au moins, les choses sont claires. Donc nous sommes d'accord que nous ne sommes pas d'accord et c'est un bon début !

Alors je vais commencer par un argument d'autorité extrait de wikipédia :
"In special relativity, the conservation of mass does not apply if the system is open and energy escapes. However, it does continue to apply to totally closed (isolated) systems. If energy cannot escape a system, its mass cannot decrease. In relativity theory, so long as any type of energy is retained within a system, this energy exhibits mass."

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 21:13

Maintenant concernant la non conservation de la quantité de mouvement, voilà l'expérience de pensée que j'avais décrite à Hobb :

Au lieu d'une boite, il y a maintenant deux boite, qui sont sur une trajectoire de collision : la boite de gauche a la vitesse +v celle de droite la vitesse -v.
La seule différence, c'est que dans la boite de gauche, la bombe explose, dans celle de droite non. Sinon elles sont identiques.
Question : que ce passe-t-il quand les boites rentrent en collision ? Quelle est la quantité de mouvement du système total ?
Initialement, on a clairement q p = 0
Mais si la boite de gauche perd de la masse, ce n'est plus vrai !

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Sun Simiao le Sam 13 Aoû 2016 - 21:47

Pour la question de la masse : C'est plus simple d'aller sur wiki français !
En tout cas pour moi.

"In relativity theory, so long as any type of energy is retained within a system, this energy exhibits mass."
Attention à ce exhibits ! Il signifie l'équivalence énergie/masse.
D'ailleurs "Du fait de l'équivalence masse-énergie révélée par la fameuse formule E=mc2, les physiciens spécialistes des particules utilisent la même unité de mesure pour la masse et l'énergie, en général un multiple d'électron-volt/c²"
La relativité générale est basée sur une interprétation différente de la masse, liée à une interprétation nouvelle (et géniale) de la force gravitationnelle. Comme tu dois savoir, dans ce nouveau modèle c'est l'espace-temps qui est courbé par les objets massifs, et non pas les objets qui s'attirent. Visiblement, et je n'étais pas allé aussi loin, Einstein avait dû aussi poser que la "masse" était dans ce système l'ensemble masse-énergie, et non plus la masse au sens habituel. Ce qui est la suite logique de sa fameuse équation qui pose l'équivalence des deux termes. Désormais, les deux notions forment un tout.
Et d'ailleurs, la chose anormale est que les photons de masse nulle subissent les effets gravitationnels. La théorie de la relativité générale "explique" donc le phénomène.

Pour en revenir à ce que je connais, les notions simples de la restreinte... "However, it does continue to apply to totally closed (isolated) systems. If energy cannot escape a system, its mass cannot decrease."
Oui, mais non !
Wiki français : "La relativité restreinte montre que la masse (inertielle) constitue une forme d'énergie du corps qui, dès lors, n'est pas strictement conservée : par exemple, la dissipation d'énergie sous forme lumineuse se traduit par une perte de masse qui n'est pas envisagée par la physique classique. La connaissance de la constitution de la matière offre d'autres exemples de pertes de masse par l'utilisation de l'énergie sous forme de liaisons atomiques."
La phrase anglaise doit supposer "En l'absence de réactions qui transforment la masse en énergie et vice-versa", je ne vois pas d'autre explication. C'est doit être simplement un moyen de définir un système. Ou alors, ils se sont mélangés les pinceaux entre relativité restreinte et générale et embrouillés dans les termes.
Après, dans la boîte, avec le temps, si cette boîte n'est pas idéale mais réelle, une partie de l'énergie va être retransformée petit à petit en masse, voire même la totalité.

Il n'en reste pas moins que la masse inertielle a bien changée suite à l'explosion de la bombe !


Dernière édition par Sunsimiao le Sam 13 Aoû 2016 - 22:07, édité 1 fois
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 22:02

Sunsimiao a écrit:Pour en revenir à ce que je connais, les notions simples de la restreinte... "However, it does continue to apply to totally closed (isolated) systems. If energy cannot escape a system, its mass cannot decrease."
Oui, mais non !
Wiki français : "La relativité restreinte montre que la masse (inertielle) constitue une forme d'énergie du corps qui, dès lors, n'est pas strictement conservée : par exemple, la dissipation d'énergie sous forme lumineuse se traduit par une perte de masse qui n'est pas envisagée par la physique classique. La connaissance de la constitution de la matière offre d'autres exemples de pertes de masse par l'utilisation de l'énergie sous forme de liaisons atomiques."

En effet, et on trouve même sur wikipédia FR: "Dans les conditions « terrestres », et pour les réactions n'impliquant pas de transformation nucléaires, elle reste vraie (en très bonne approximation1). Pour les réactions impliquant une transformation nucléaire, la variation de masse correspond à une variation opposée d'une autre forme d'énergie (on parle ici de la masse au repos de la matière ; "

Donc wikipédia Français prétend effectivement que la masse n'est pas conservée. Mon interprétation, c'est que peut-être ils sont dans un cadre non relativiste, ou tout simplement ils ne maîtrisent pas le sujet ? En tout cas, wikipédia Anglais donne la réponse correcte, qu'il est possible de démontrer de mille et une manière : la masse est bien conservée en relativité restreinte. En tout cas, cela explique pourquoi hobb s'est trompé : il semble qu'il y ait effectivement beaucoup de confusion à ce sujet chez les français, j'ignore pour quelles raisons.

Sunsimiao a écrit:La phrase anglaise doit supposer "En l'absence de réactions qui transforment la masse en énergie et vice-versa", je ne vois pas d'autre explication. C'est doit être simplement un moyen de définir un système. Ou alors, ils se sont mélangés les pinceaux entre relativité restreinte et générale et embrouillés dans les termes.

Mon interprétation à moi, c'est tout simplement que wikipédia anglais est correct contrairement au français qui raconte des bêtises !

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Sun Simiao le Sam 13 Aoû 2016 - 22:12

Je ne sais pas.
Ce qui est clair, c'est que la confusion provient des termes employés !
Et je ne vois pas pourquoi la masse serait conservée, alors que c'est le principe même d'équivalence masse-énergie qui est au coeur de la physique d'Einstein !
A moins, encore une fois, qu'on appelle "masse" non plus la masse inertielle seule mais l'ensemble masse-énergie.
Mais alors, la boîte où s'est produite l'explosion a bien perdu de la masse inertielle !
On revient toujours à Lavoisier !
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par stupeflip666 le Sam 13 Aoû 2016 - 22:22

Mais l'énergie compte comme de la masse inertielle, c'est la signification de la formule E=mc2. Il y a conservation de l'énergie ET de la masse inertielle.

Encore une fois, si la masse inertielle n'était pas conservée, cela serait en contradiction avec la conservation de la quantité de mouvement, c'est impossible.

Je pense que la confusion vient peut être du fait que en RR, la masse d'un système n'est pas égale à la somme des masses de ses constituants.
Ainsi un photon tout seul a une masse nulle, mais si tu prends deux photos allant dans des direction opposées, ils forment ensemble un système qui a une masse non nulle.
Et si tu mets ces photons dans une boîte, ils contribuent à la masse de la boîte et rendent plus difficile son accélération.

D'ailleurs il y a une vidéo sur youtube qui explique bien ce concept :
https://www.youtube.com/watch?v=gSKzgpt4HBU

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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Stauk le Sam 13 Aoû 2016 - 23:58

Sunsimiao a écrit: la dissipation d'énergie sous forme lumineuse se traduit par une perte de masse qui n'est pas envisagée par la physique classique. La connaissance de la constitution de la matière offre d'autres exemples de pertes de masse par l'utilisation de l'énergie sous forme de liaisons atomiques."

Excusez moi de m'incruster, mais je ne vois pas en quoi la phrase française contredit la phrase anglaise. La phrase anglaise parle de système fermé. La phrase française de conservation de la masse (pas de notion de système fermé).

Il est clair que si la boite est chauffée à blanc par l'explosion, alors elle perd de la masse (phrase française). De même que si magiquement on arrive à faire en sorte que la boite ne change pas de température,(par exemple en mesurant très très tôt après l'explosion) alors on peut aussi affirmer par le biais de la phrase anglaise qu'elle a bien conservé sa masse.

Bref je ne vois pas où vous voyez une contradiction entre les deux phrases (mais je n'ai pas vraiment lu le contexte, alors c'est peut être pour ça)
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Re: Conservation de la masse et explosions nucléaires dans une boîte

Message par Sun Simiao le Dim 14 Aoû 2016 - 0:32

Ah OK, j'aurais appris quelque chose ! Merci ! Very Happy
J'étai parti de l'idée que, comme dans mon exemple de boîte avec une plante, les photons à l'intérieur de la boîte était comme ceux à l'extérieur de celle-ci car dans leur référentiel propre. Et c'est faux !
J'avais négligé les forces des impacts sur les bords.
C'était pourtant logique que le système soit fermé. J'ai imaginé un truc relativiste improbable qui supposait aucune interaction entre les photons et la boîte.

Conclusion : pour la boîte où l'explosion a lieu, il y a bien perte de masse, mais dans la boîte, pas "à l'extérieur" : la boîte conserve sa vitesse et son énergie totale puisque sa masse inertielle reste la même.
Dans la collision avec la boîte où l'explosion na pas eu lieu, les forces devraient bien s'annuler (sans chipoter sur la réalité physique des forces s'exerçant sur les bords etc...).  
Subtile expérience de pensée ! Encore merci.

P.S. Cette question a encore semblé paradoxale et difficile à résoudre parce qu'on n'a pas précisé les référentiels dans lesquels se mesurent la masse.
Par exemple, si au centre d'une planète ont lieu des réactions nucléaires, la masse inertielle de la planète ne varie pas, alors que la masse du noyau varie ! C'est ouf, non ? Je viens de le découvrir ce soir !
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