Tajemnice huśtawki

Całą naukę fizyki można by właściwie określić w ten sposób, że zajmuje się ona różnymi postaciami energii oraz tym, jak te rozmaite postacie przechodzą jedna w drugą. Wiemy, że energia jest to zdolność do wykonania pracy. Tę zdolność może posiadać pojedyncze ciało bądź układ, tzn. zespół ciał.

Energia mechaniczna jest najpospolitszą postacią energii. Występuje ona w dwóch odmianach: potencjalnej i kinetycznej. Przemiana jednej w drugą zachodzi bardzo często m. in. wówczas, gdy oglądamy huśtające się dzieci. Aby huśtawkę wraz z siedzącym dzieckiem wprawić w ruch należy rozpocząć od silnego pchnięcia. Pchnięcie to nadaje odpowiednią prędkość huśtawce, czyli udziela jej energii kinetycznej. W miarę jak huśtawka wychyla się z dolnego położenia, jej prędkość maleje aż wreszcie w swoim najwyższym położeniu (zależnie od siły pchnięcia) huśtawka zatrzymuje się na mgnienie oka, aby zaraz opaść z powrotem i minąwszy dolne (najniższe) położenie wznieść się w górę po przeciwnej stronie.

W krótkim czasie, gdy huśtawka wznosi się do najwyższego położenia, można poczynić dwa spostrzeżenia: jej prędkość stopniowo maleje aż do zera (w chwili osiągnięcia górnego położenia), jej wysokość nad poziomem ziemi wzrasta od najmniejszej (u dołu) do największej (u góry). Jak wiemy, prędkość wyznacza energię kinetyczną ciała, a wysokość nad powierzchnią ziemi, jaką zajmuje to ciało – wyznacza jego energia potencjalna. Zatem malejąca prędkość to malejąca energia kinetyczna, a wzrastająca wysokość to rosnąca energia potencjalna.

W swoim ruchu ku górze huśtawka traci więc energię kinetyczną, a zyskuje energię potencjalną. Za chwilę, gdy zacznie opadać, wszystko powtórzy się, ale w odwrotnym porządku. Będzie ona teraz zmniejszać wysokość, czyli tracić energię potencjalną, a zwiększać prędkość (zyskiwać energię kinetyczną). Nastąpi więc odwrotna zamiana. Można powiedzieć, że huśtawka jest przykładem nieustannej zamiany energii potencjalnej w kinetyczną i odwrotnie.

Można przypuszczać, że suma energii potencjalnej i kinetycznej, w dowolnej chwili ruchu, pozostaje stała. Podobnie jak stała jest ilość cieczy, którą przelewamy z naczynia do naczynia. Rozumowanie to prowadzi do zasady zachowania energii, która głosi, że w przemianach energii jej ilość nie ulega zmianie, a zmieniają się tylko jej formy (postacie).

Światło rysuje obrazy

Aparat fotograficzny, dzięki któremu możemy „rysować” za pomocą światła, powstał stosunkowo nie tak dawno temu. Za pierwowzór tego aparatu uznaje się oko ludzkie, które istnieje tak długo, jak długo istnieje człowiek.

Chcąc zrozumieć, w jaki sposób działa aparat fotograficzny, należy przypomnieć sobie coś niecoś o świetle, jego naturze i właściwościach. W dzień korzystamy ze światła słonecznego, nawet jeśli na niebie są ciemne chmury, słońce przebija się przez nie i choć nie jest tak jasno, to przecież oświetla wszystko dookoła. Zupełnie nie dociera do nas w nocy. Wówczas radzimy sobie stosując sztuczne źródła światła.

Światło, podobnie jak dźwięk, przenosi się za pomocą fal, ale są to zupełnie inne fale i inne są ich właściwości niż fal dźwiękowych. Fale świetlne rozchodzą się w powietrzu w postaci prostoliniowych promieni inaczej niż fale dźwiękowe. Inną ważną różnicą jest to, że głos rozchodzi się dzięki istnieniu materialnego ośrodka, na przykład powietrza. W próżni natomiast fale głosowe rozchodzić się nie mogą. Światło zaś może przechodzić przez całkowitą próżnię, czyli przestrzeń, w której nic nie ma. Właśnie dlatego Słońce może dostarczać nam światło, które przechodzi przez przestrzeń kosmiczną pozbawioną prawie całkowicie materii.

Oko ludzkie spostrzega otaczające przedmioty tylko wtedy, gdy są one oświetlone. Siedząc w dokładnie zaciemnionym pokoju nie będziemy widzieli nic, dopiero gdy zapalimy światło ukaże się nam to wszystko, co się tam znajduje. Światło palącej się lampy wysyła we wszystkie strony fale świetlne, fale te odbijają się od wszystkiego co nas otacza i trafiają do oka. Gdyby dookoła źródła światła nie było nic, fale świetlne nie miałyby się od czego odbić i widzielibyśmy tylko źródło światła.

Fale świetlne odbijając się od wszystkich przedmiotów i trafiając do oka, wywołują wrażenie, które nazywamy „widzeniem”. Widzenie powstaje wskutek wspólnej pracy oka i mózgu ludzkiego. Wiemy, że fale świetlne o dużej częstotliwości mają barwę filetową, a o mniejszej – barwę czerwoną. Między nimi zawarte są pozostałe barwy tęczy, która przedstawia pełną paletę barw. Natomiast światło białe jest mieszaniną wszystkich barw, tzn. mieszaniną fal świetlnych o częstotliwościach zawartych między fioletem a czerwienią. Istnieją niewidzialne fale świetlne o częstotliwościach większych (nadfioletowych) lub mniejszych (podczerwonych) od częstotliwości fal widzialnych. Oko ludzkie ich nie dostrzega, ale reaguje na ich obecność klisza fotograficzna.

„Elektryczni wędrowcy”

Co to za „elektryczni wędrowcy”? Ich prawdziwa nazwa to jony. Nazwa ta jest zapożyczona z greckiego, gdzie jon znaczy właśnie wędrowiec. Wędrowców, o których mowa, można nazwać elektrycznymi, gdyż każdy z nich obowiązkowo niesie pewien bagaż – jest nim ładunek elektryczny. Gdy tylko w ten czy inny sposób jon utraci swój bagaż (ładunek elektryczny), natychmiast przestaje być jonem.

Jon jest atomem, który spełnia tylko jedną funkcję: przenosi ładunki elektryczne. Jony występują w środowiskach ciekłych, spotkać je można w wodnych roztworach kwasów zasad i soli. Te roztwory, zwane elektrolitami, to kraina ich wędrówek. Tam bardzo łatwo powstają. Można je bez trudu powołać do życia. Wystarczy wsypać do wody szczyptę soli kuchennej i zamieszać, aby powstał roztwór i już mamy wielkie zbiorowisko jonów. Będą to jony sodu i chloru – pierwiastków wchodzących w skład soli kuchennej.

Jak wiemy, cząsteczka takiej soli składa się z jednego atomu chloru (NaCl). Woda, do której wsypaliśmy sól kuchenną, ma zdolność rozbijania cząsteczek soli na składowe, czyli na atomy sodu i chloru. Rozbija je jednak w pewien szczególny sposób, a mianowicie tak, że atom sodu zostaje przy tym naelektryzowany dodatnio, a atom chloru ujemnie. W ten sposób atom staje się jonem. Zjawisko to nazywamy dysocjacją elektrolityczną. Z każdej cząstki soli otrzymujemy dwa jony: dodatni jon sodu i ujemny jon chloru. Oczywiście woda rozbija na jony pewną liczbę cząsteczek rozpuszczonej w niej soli, reszta pozostaje niezdysocjowana.

Jony, mając ładunek elektryczny, podlegają działaniu elektrycznych sił przyciągania lub odpychania i dlatego poruszają się w określonym kierunku, gdy siły te zaczną na nie działać. Gdy sił tych nie ma, wówczas poruszają się bezwładnie, zobojętniają wzajemnie i tworzą się na nowo. Niekiedy przejawy wędrówek jonów są bardzo pożyteczne i mają wielkie znaczenie praktyczne. Wszystkie ważne zastosowania elektrolizy opierają się na tym, że „elektryczni wędrowcy” – czyli jony pod wpływem sił elektrycznych pozwalają kierować swoimi wędrówkami i dotarłszy do bieguna źródła prądu oddają mu swój ładunek, stając się atomami.

Uwaga! Wysokie napięcie

Na liniach wysokiego napięcia i innych tego rodzaju urządzeniach spotykamy napis: „Uwaga! Wysokie napięcie”, niekiedy z trupią głową. Takie linie przebiegają w wielu miejscach naszego kraju. Znają je praktycznie wszyscy, gdyż weszły w skład naszego krajobrazu. Wielkie maszty stalowe ze wspornikami, do których podwieszone są izolatory dźwigające przewody, po których płynie prąd elektryczny wysokiego napięcia – tak wyglądają te linie.

Możemy się zastanowić dlaczego przesyłamy energię elektryczną pod wysokim napięciem? Aby to zrozumieć weźmy np. pod uwagę lokomotywę elektryczną. Musi ona pociągnąć ciężki wagon i to z określoną prędkością. Praca jaka jest potrzebna, aby ten pociąg „przeciągnąć” np. z Krakowa do Wrocławia, lokomotywa musi wykonać w ściśle określonym czasie, a do tego jest potrzebna ściśle określona moc jej silników. Gdyby silniki te nie miały odpowiedniej mocy, to pociąg wprawdzie dojechałby do miejsca przeznaczenia, ale z opóźnieniem.

Podobnie do oświetlenia miasta potrzebna jest moc równa mocy wszystkich zainstalowanych źródeł światła (oświetlenie mieszkań, ulic, biur itd.). Każde elektryczne urządzenie charakteryzuje się więc miedzy innymi parametrami również mocą, której dostarcza (np. prądnica) lub którą 1odbiera (np. silnik elektryczny). W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze źródłem prądy, a w drugim z odbiornikiem.

Linie wysokiego napięcia rozprowadzają energię elektryczną po całym kraju. Linie elektryczne dostarczają odbiornikom niezbędnej im mocy, czyli umożliwiają im wykonanie określonej pracy w określonym czasie. Jak wiemy moc elektryczna jest iloczynem napięcia i natężenia prądu. Prąd elektryczny płynąc w przewodach nagrzewa je i na to zużywa część energii. Energia, którą przesyłamy przewodami, nie dociera więc w całości do odbiorników, część traci się po drodze. Traci się zaś dlatego, że ciepło „ulatnia się” z przewodów bez żadnego pożytku.

Wysokie napięcie to najtańszy i najskuteczniejszy sposób zmniejszenia strat przemysłowych. Wymaga on jednak wielu zabiegów. Linia wysokiego napięcia musi być odpowiednio izolowana. Pozostaje jeszcze jedna kwestia: w jaki sposób wytwarza się wysokie napięcie? Jest to możliwe dzięki temu, że elektrotechnika dysponuje pewnym doskonałym sposobem zamiany napięć niskich na wysokie i odwrotnie.

Za co płacimy elektrowni?

Gdyby zadać to pytanie przeciętnemu człowiekowi, zapewne usłyszelibyśmy odpowiedzi typu: za prąd elektryczny, za światło, za elektryczność itd. Jednak wszystkie te odpowiedzi są, jeśli nie całkiem błędne, to na pewno niedokładne. Jedno jest pewne. Elektrownia coś nam sprzedaje, a my za to „coś” płacimy.

Z rachunkiem z elektrowni jest tak, że płacimy za kilowatogodziny, bo to właśnie kilowatogodzina jest jednostką miary, w której oblicza się zużytą przez nas energię elektryczną. Postarajmy się zrozumieć czy tak naprawdę jest owa tajemnicza kilowatogodzina. Gdy w mieszkaniu zapalamy żarówkę elektryczną, to przez nią zaczyna płynąć prąd elektryczny. Zupełnie tak samo, jak wówczas, gdy odkręcimy kurek wodociągu i płynie z niego woda.

Wyobraźmy sobie strumień wody płynący kanałem, w którym woda spływa z pewnej wysokości i trafia u dołu na łopatki koła wodnego. Nietrudno się domyśleć, że praca tego koła będzie zależeć od ilości spadającej wody na łopatki koła w ciągu sekundy. Gdy strumień będzie dwa razy obfitszy, to otrzymana praca będzie dwa razy większa lub gdy wysokość, z której spada woda wzrośnie dwukrotnie otrzymamy dwa razy większą pracę. Praca takiego koła wodnego zależeć będzie również od czasu pracy tego koła. Zatem ostateczna formuła na wykonaną pracę głosi, że praca ta jest wprost proporcjonalna do wysokości spadku wody, ilości wody wpływającej na łopatki w ciągu sekundy i czasu trwania pracy.

Możemy teraz zastosować analogie pomiędzy przepływem wody, a przepływem prądu elektrycznego. Wysokość spadku wody jest miarą ciśnienia, a ciśnienie odpowiada napięciu elektrycznemu (wyrażonemu w woltach). Wielkość przepływu wody to, w naszym porównaniu, natężenie prądu (wyrażone w amperach). Czas trwania pracy pozostaje w obu przypadkach taki sam. podsumowując praca prądu elektrycznego jest wprost proporcjonalna do iloczynu napięcia, natężenia i czasu trwania pracy. Jednostką tej pracy jest watosekunda, która jest blisko spokrewniona z kilowatogodziną.

Jeżeli weźmiemy 1000 watów, to otrzymamy kilowat, jeżeli weźmiemy 3600 sekund, otrzymamy godzinę. Wynika stąd, że 3 600 000 watosekund równa się kilowatogodzinie (3 600 000 Ws = 1 kWh). I to jest ostateczna odpowiedź, co to jest kilowatogodzina, za którą płacimy elektrowni.

Skoczek spadochronowy

W starożytnej Grecji uczenie nie doceniali doświadczenia tylko hołdowali zasadzie twórczych rozmyślań. Doprowadziło to do wielu błędnych wniosków. Przykładem jednego z takich błędów może być pogląd Arystotelesa, że ciała cięższe spadają szybciej niż ciała lekkie. Pogląd ten przetrwał przez wiele wieków, a obalił go dopiero Galileusz, przeprowadzając swoje słynne doświadczenie ze spadaniem ciał z pochyłej wieży w Pizie.

Gdyby Arystoteles przeprowadził obserwacje spadania ciał wyłączając zjawiska, które mu towarzyszą i zaciemniają przebieg, to wniosek byłby odmienny. W przypadku spadania ciał wystarczy na przykład przeprowadzić je w próżni. W rurze, z której wypompowano powietrze, lekkie piórko spada tak samo jak kawałek metalu, co oznacza, że ciała spadają jednakowo. Jeśli na co dzień obserwujemy coś innego, to tylko dlatego, że dochodzi wówczas do głosu opór powietrza, który może całkowicie zniekształcić naturalny, niezakłócony przebieg tego zjawiska.

Obserwując ruch skoczka spadochronowego, widzimy jak z szybującego wysoko samolotu odrywa się maleńki punkcik i z rosnącą w oczach prędkością leci jak kamień w dół. Po chwili rozwija się czasza spadochronu i w ciągu kilku sekund prędkość ulega gwałtownemu zmniejszeniu. Teraz skoczek łagodnie spływa ku ziemi z prędkością, która nie ulega zmianie, aby po pewnym czasie bezpiecznie wylądować.

W ruchu skoczka można wyraźnie zaobserwować trzy fazy, które odpowiadają trzem rodzajom ruchu. W pierwszej fazie spadania ruch skoczka jest jednostajnie przyspieszony. Jest to w przybliżeniu swobodne spadanie, podczas którego prędkość rośnie równomiernie. Jeśli skoczek nie otworzy spadochronu, to po upływie pierwszej sekundy osiągnie on prędkość 10 m/s, po upływie drugiej – 20 m/s, zaś po upływie trzeciej – 30 m/s itd. W ciągu każdej sekundy prędkość jego wzrasta więc o 10 m/s. Przyrost prędkości, jaki występuje w jednostce czasu (tutaj to sekunda), nazywane jest przyspieszeniem.

W drugiej fazie ruchu skoczka, gdy otworzy on spadochron, zastępuje zjawisko odwrotne do opisanego powyżej. Dotąd prędkość rosła równomiernie, teraz zaczyna równomiernie zmniejszać się. Następuje więc ruch jednostajnie opóźniony (z wyłączeniem krótkiej chwili otwierania się spadochronu). Opóźnienie ruchu mierzy się takimi samymi jednostkami jak przyspieszenie. O ile to ostatnie było przyrostem prędkości w ciągu sekundy, o tyle opóźnienie będzie zmniejszeniem prędkości w ciągu sekundy. Teraz skoczek przechodzi w ostatnią fazę ruchu – łagodnie spada ku ziemi, a jego prędkość opadania w zasadzie nie zmienia się. Taki ruch nazywa się ruchem jednostajnym. Charakteryzuje się on tym, że odcinki przebywanej drogi są jednakowe w każdej sekundzie.

Pompka rowerowa

Pompując dętkę rowerową, po krótkim czasie zauważamy, że pompka rozgrzewa się i to dość silnie. Niektórzy myślą, że to wskutek tarcia tłoka o ścianki pompki. To prawda, że pokonywanie tarcia wywołuje ogrzewanie się ciał wzajemnie trących się o siebie. W ten sposób rozgrzewamy np. zziębnięte dłonie. Jednak w danym przypadku tarcie jest niewielkie, tłoczek jest przecież nasycony smarem, aby zapewnić szczelność, bez której pompka jest bezużyteczna.

Ciepło wydzielające się podczas tej pracy i ogrzewające pompkę, powstaje głównie z innego powodu: jest nim sprężone powietrze. Dlaczego jednak sprężone powietrze wywołuje wzrost jego temperatury? Otóż wszystkie ciała (również gazy) składają się z bardzo małych cząsteczek zwanych molekułami. Możemy je sobie wyobrazić w postaci bardzo małych kuleczek. Kuleczki te są tak niewyobrażalnie małe, że nie można ich zobaczyć, nawet pod najsilniejszym mikroskopem. Ich liczba jest ogromna, np. w jednym centymetrze sześciennym powietrza znajduje się 27 trylionów cząsteczek.

W świecie molekuł, pomimo, że cząsteczki są tak niezmiernie małe, odległości pomiędzy poszczególnymi molekułami (w skali ich wymiarów) są duże. Zapewnia to molekułom znaczną swobodę ruchów, z której też korzystają, poruszając się bez przerwy. Największą swobodę ruchów mają w gazach; w cieczach wędrówki ich są do pewnego stopnia ograniczone, w ciałach stałych, nie mogąc zmienić miejsca pobyty – oscylują (tzn. wahają się we wszystkie strony od pewnego średniego położenia). W chaotycznym ruchu molekuł, jaki występuje w środowisku gazowym, następują oczywiście co chwila zderzenia, zmiany kierunku, zmiany prędkości.

Wracając do naszej pompki, w której znajdują się tryliony molekuł, zauważamy, że gdy popchniemy tłok, ich ruchy staną się gwałtowniejsze, wzroście średnia prędkość, a zatem i temperatura. Wskutek tego pompka rozgrzeje się, co wyraźnie odczujemy. Sprężanie gazu podnosi więc jego temperaturę. W podobny sposób można wywnioskować, że rozprężanie obniży jego temperaturę.

Te właściwości gazów znajdują liczna zastosowania w technice. Na przykład w silnikach wysokoprężnych (zwanych od nazwiska wynalazcy silnikami Diesla) nie stosuje się świec zapłonowych, zapalając mieszankę iskrą elektryczną. Zamiast tego spręża się w nich czyste powietrze, i to tak silnie, że jego temperatura wzrasta do kilkuset stopni. Tera wtryskuje się pod dużym ciśnieniem olej napędowy, który w zetknięciu z gorącym powietrzem zapala się w cylindrze, wykonując pracę.