¿Por qué el centro de masa del sistema de contenedores de hielo se desplaza en ausencia de cualquier fuerza externa neta?

Considere un cubo de hielo en un recipiente de base plana (la base es muy ancha). La temperatura del sistema se fija al principio en una temperatura de menos Celsius, pero luego el sistema se deja sobre una mesa con la parte superior abierta a la atmósfera.
El hielo comienza a derretirse, y finalmente solo queda agua, esparcida sobre la base del recipiente (el agua no toca las paredes del recipiente, por lo que parece agua derramada en el piso) Aquí, el centro de masa
del H 2 O -El sistema de contenedores se mueve hacia abajo debido a la disminución de la altura de las moléculas de agua.
Pero, este sistema no experimenta ninguna fuerza externa neta sobre él, todo el tiempo. Por lo tanto, ¡el centro de masa de este sistema no debería acelerar en absoluto!
¿Cómo se resuelve esta contradicción? Siento que dado que el derretimiento es muy lento, el centro de masa podría moverse muy lentamente, pero eso no explica las cosas. Por ejemplo, si la habitación estuviera muy caliente, el derretimiento no habría sido lento, ¿verdad?

Editar: Muchas personas probablemente se estén confundiendo con respecto a la perspectiva que estoy tomando. Deje que el recipiente y el agua (sólido/líquido) sean un solo sistema. Podemos pensar en ellos juntos como una masa puntual. Esta masa puntual está en equilibrio, y en reposo, situado en la posición del centro de masa del sistema hielo+contenedor (digamos, a una altura 'h' por encima de la mesa. Puede haber fuerzas internas
dentro de la masa puntual, pero la fuerza externa neta (resultante) es cero, todo el tiempo. Por lo tanto, de acuerdo con la primera ley de Newton, la masa puntual debe permanecer en equilibrio y, por lo tanto, en reposo. Pero, cuando el hielo se derrite, ¡la posición del centro de masa del sistema hielo + contenedor se ha movido hacia abajo!
Por lo tanto, la masa puntual tiene que moverse hacia abajo, en ausencia de cualquier fuerza externa resultante. La fuerza gravitatoria sobre el hielo+contenedor se cancela por la reacción normal de la mesa sobre el contenedor.

¿Qué pasa con la gravedad?
Hay muchas fuerzas que actúan sobre él: a) Gravedad, b) Contacto con las paredes del contenedor, c) Presión de aire, etc.
La fuerza externa neta del sistema del recipiente de agua es cero. El sistema está en reposo sobre una mesa.
Si no hay gravedad, entonces el agua resultante del derretimiento del hielo no se quedaría en el fondo... Entonces, o hay gravedad, o debes probar que el centro de masa cambiaría. No puedes tenerlo de ambas maneras. youtube.com/watch?v=gTqLQO3L4Ko

Respuestas (3)

Por cada molécula de agua en el cubo de hielo hay dos fuerzas a considerar: la fuerza electromagnética y la gravedad. Cuando el cubo de hielo se congela, las moléculas tienen una energía cinética baja, por lo que se adhieren a su estructura cristalina rígida, que es suficiente para contrarrestar la fuerza gravitacional. Cuando tienen un poco más de energía cinética (es decir, a una temperatura más alta), pueden liberarse de su estructura cristalina y, por lo tanto, no pueden contrarrestar la fuerza gravitacional.

El hecho de que las moléculas de agua se aceleren está bien: se agrega energía adicional a las moléculas de agua a medida que se calientan.

No me preocupan las fuerzas internas en el agua, o entre el agua y el recipiente. Cuando tanto el agua como el recipiente se consideran como un sistema en su conjunto, ya están en equilibrio, ¿verdad?
Pero, como has observado, el sistema agua+recipiente no está en equilibrio. Esto se debe a que hay transferencia de energía del entorno al sistema.
Había dicho que el sistema agua+recipiente está en equilibrio.
¿Cómo puede la transferencia de energía acelerar un sistema?
Pero el sistema agua+contenedor no está en equilibrio, se está calentando. La temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética de la partícula en él (ver esta página de Wikipedia) . Por lo tanto, si aumenta la temperatura de un sistema, aumenta la energía cinética promedio y, por lo tanto, también aumenta la velocidad promedio de las partículas en el sistema (aceleración).
Repasando las leyes de la termodinámica nuevamente, es termodinámicamente imposible calentar un sistema y darle energía cinética. Lo que estás diciendo es que las moléculas dentro del sistema tienen una energía cinética promedio más alta que antes, pero en general, las velocidades de todas las moléculas siempre son se supone que suman cero, por lo tanto, no dan ninguna velocidad resultante a todo el sistema. Si lo que dijiste fuera posible, entonces habría sido posible acelerar un sistema calentándolo, lo cual es una maravilla que podría ayudar a los científicos a resolver millones. de problemas
"es termodinámicamente imposible calentar un sistema y darle energía cinética" - ¿dónde aprendiste eso? ¡¡La temperatura es una medida de la energía cinética promedio!! Creo que ahora volvimos a mi respuesta original: calentar el sistema rompe los enlaces entre las moléculas de agua para que no puedan contrarrestar la fuerza gravitacional, por lo que se mueven hacia abajo y, por lo tanto, todo el sistema se mueve hacia abajo.
Estaba citando el hecho de que la energía cinética de un cuerpo se puede reducir al convertirla en energía térmica (fricción), pero no se puede convertir el calor nuevamente en energía cinética "completamente". Me disculpo por usarlo de manera incorrecta. fue apresurado. No tengo ningún problema con el análisis que está haciendo mirando "dentro" del sistema. Pero en realidad estoy buscando una explicación desde "fuera" del sistema. Puede consultar la edición que hice en mi pregunta, que explica desde qué perspectiva estoy mirando

Ya no puedes considerar el bloque de hielo como un sistema una vez que comienza a derretirse, por lo que ya no sigue siendo un cuerpo rígido. En consecuencia, no se le puede aplicar la ley de Newton. Paz ;)

En pocas palabras, el sistema de contenedores de hielo no está cerrado; hay fuerzas gravitatorias externas.

Si considera la tierra y el recipiente como una parte, y el hielo/agua líquida como la otra, de un sistema nuevo y cerrado, a medida que el agua se derrite y cae, la tierra sube (un poquito) y el CofM de este sistema permanece sin cambios

Entonces, ¿quiere decir que un sistema que consta de agua y un recipiente no está en equilibrio? Si es así, ¿por qué?
No estamos hablando de equilibrio, estamos hablando de cerrado. Una granada de mano que explota no está en equilibrio hasta que explota, pero el centro de masa de la granada permanece sin aceleración durante la explosión.
"Una granada de mano que explota no está en equilibrio" --explique, porque acaba de decir "el centro de masa de la granada no se acelera"
Si explota una granada de mano estacionaria en vacío en el espacio profundo, las partes se esparcirán "uniformemente" en el espacio, dejando intacto el centro de masa de las granadas. Si un hipotético contenedor de hielo se estuviera derritiendo en un contenedor cerrado en el espacio profundo libre de gravedad y no tuviera tensión superficial (¡hipotéticamente!), el agua permanecería en posición cúbica.
Sí, ese punto es correcto en el caso de un espacio libre de gravedad, pero en este caso, en ausencia de una fuerza externa neta, para que el CofM del sistema permanezca en su posición inicial, mientras el CofM del agua se desplaza hacia abajo, el contenedor debe desplazarse ¡hacia arriba! (con respecto a la mesa). Por lo tanto, ¡el recipiente debe subir en el aire! Entonces, ¿hay algo así como que por cada intervalo de tiempo infinitesimal cuando una cantidad muy pequeña de hielo se ha derretido, el recipiente sube en el aire en una fracción muy pequeña? altura, y luego la gravedad los jala hacia abajo? Eso debe ser como (mirando en un microscopio muy poderoso) ¡el contenedor se mueve hacia arriba y hacia abajo muy rápido!
¿Por qué el centro de masa del sistema de contenedores de hielo se desplaza en ausencia de cualquier fuerza externa neta?
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