Một cân thép và một cân lông vũ, thứ nào nặng hơn? Câu trả lời tưởng chừng rất đơn giản: cả hai nặng như nhau vì đều có khối lượng 1 kg. Trên thực tế, câu trả lời còn phụ thuộc vào nơi chúng ta đặt chiếc cân. Nếu cân trong môi trường chân không, 1 kg thép và 1 kg lông vũ sẽ cân bằng hoàn toàn. Cả hai có cùng khối lượng nên chịu lực hút của Trái đất như nhau.
Nhưng khi đưa chiếc cân ra môi trường có không khí, bên chứa thép lại có thể hơi trĩu xuống. Điều này không có nghĩa thép tự nhiên nặng hơn, mà bởi không khí cũng tác động lên những vật được đặt trên cân.
Để hiểu rõ hơn, hãy nghĩ đến một quả bóng bị ấn xuống nước. Nước sẽ đẩy quả bóng lên trên, khiến chúng ta cảm thấy nó nhẹ hơn. Không khí cũng tạo ra lực đẩy tương tự đối với các vật thể, dù lực này nhỏ hơn nhiều nên chúng ta gần như không nhận thấy.
Hiện tượng đó được gọi là lực đẩy nổi. Vật chiếm càng nhiều thể tích thì càng đẩy chỗ nhiều không khí và chịu lực đẩy lên lớn hơn.
Với cùng khối lượng 1 kg, thép rất đặc nên chỉ chiếm một khoảng không gian nhỏ. Trong khi đó, lông vũ có thể tích lớn hơn nhiều. Vì vậy, lông vũ chịu lực đẩy của không khí lớn hơn, khiến lực ép xuống cân giảm đi đôi chút so với thép.
Tuy nhiên, sự chênh lệch này cực kỳ nhỏ. Theo một phép tính được dẫn lại trên IFLScience, với những giả định đơn giản về mật độ vật liệu và không khí, mức khác biệt chỉ khoảng 0,8 g.
Câu chuyện không chỉ dừng lại ở lý thuyết. Năm 2014, một nhóm nhà vật lý đã thực hiện thí nghiệm để kiểm tra hiện tượng này. Thay vì dùng thép và lông vũ, họ chọn một tấm hợp kim đồng mỏng và một khối xốp, hai vật liệu có thể tích và mật độ rất khác nhau.
Ban đầu, các nhà khoa học điều chỉnh để hai vật nằm cân bằng trên một chiếc cân nhạy đặt trong không khí. Sau đó, họ từ từ hút không khí ra khỏi buồng thí nghiệm.
Khi lượng không khí giảm xuống, cán cân bắt đầu nghiêng. Điều thú vị là tấm kim loại lúc này lại cho thấy nó có khối lượng nhỏ hơn khối xốp.
Lý do là lúc đầu, khối xốp chịu lực đẩy của không khí lớn hơn nên cần có khối lượng thực lớn hơn để cân bằng với tấm kim loại. Khi không khí bị hút ra, lực đẩy ấy giảm dần và sự chênh lệch khối lượng mới bộc lộ.
Thí nghiệm cho thấy cách cân một vật có thể ảnh hưởng đến kết quả đo, nhất là khi hai vật có kích thước và mật độ khác nhau. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) cũng lưu ý rằng lực đẩy của không khí là yếu tố cần tính đến trong những phép đo khối lượng đòi hỏi độ chính xác cao.