Dlaczego samolot może latać?

Jak wiadomo samolot lata w powietrzu. Powietrze to całkiem realny materiał. Trudno to czasem zrozumieć, ale nawet pusta szklanka leżąca na stole wypełniona jest powietrzem. Można się o tym przekonać odwracając szklankę dnem do góry i zanurzając w wodzie. Widać wówczas, że woda prawie wcale nie wchodzi do niej, a jak przechylimy szklankę pod wodą to do góry polecą bąbelki powietrza.

Powietrze jest mieszaniną gazów, zatem daje się ściskać (sprężać) lub rozrzedzać (rozprężać). Sprężone powietrze ma duże ciśnienie, rozrzedzone małe, mniejsze od ciśnienia atmosferycznego. Samolot wznosi się w powietrzu i utrzymuje w nim dzięki temu, że się porusza. Samolotom ruch zapewnia silnik. Może on obracać śmigło lub też obyć się bez niego. Skrzydło samolotu ma specjalny profil. Od dołu profil ten jest dość gładki, ale od góry jest wybrzuszony. Powietrze, które opływa skrzydło podczas ruchu samolotu dzieli się na dwie strugi: górną i dolną. Struga górna ma wskutek wspomnianego wybrzuszenia dłuższą drogę do przebycia niż struga dolna, zatem prędkość opływu strugi górnej musi być większa niż dolnej.

Tam gdzie większa prędkość, tam mniejsze ciśnienie. Mniejsze ciśnienie wystąpi więc u góry profilu skrzydła, a większe u dołu. Mówiąc inaczej: skrzydło będzie wypychane ku górze, a siła z jaką odbywa się to wypychanie, nazywa się siłą nośną skrzydła. Ta siła będzie działać przez cały czas, gdy tylko skrzydło będzie w powietrzu i to właśnie ona dźwiga cały samolot.

Start samolotu odbywa się w ten sposób, że w miarę nabywania prędkości przy toczeniu się po ziemi, skrzydła samolotu wytwarzają coraz większą siłę nośną. Gdy prędkość samolotu stanie się dostatecznie duża, siła nośna stanie się większa od ciężaru, samolot odrywa się od ziemi i wznosi w powietrze. Po osiągnięciu odpowiedniej wysokości samolot porusza się dalej w ten sposób, że siła nośna równoważy ciężar, a silnik dostarczając siły ciągu zapewnia ruch naprzód, pokonując opór powietrza, jaki przy tym powstaje.

Ciążenie powszechne – grawitacja

Spadające jabłko, czy też w ogóle jakiekolwiek spadające z wysokości ciało, jest jednym z najpowszechniejszych objawów grawitacji, czyli wzajemnego ciążenia ciał ku sobie. Gdy jabłko spada z drzewa, to dzieje się tak dlatego, że jest ono przyciągane przez Ziemię. Jednakże, według praw mechaniki, jeśli Ziemia przyciąga jabłko, to również i jabłko musi przyciągać Ziemię i to z taką samą siłą. Wydaje się to zabawne, że znikome w porównaniu z Ziemią jabłko stara się pociągnąć kolasa, którym jest Ziemia, ku sobie. Jednak tak jest w rzeczywistości, tylko, że skutek jest znikomy i praktycznie równy zeru. Dlatego bez najmniejszego zastanawiania się możemy w dalszym ciągu uważać, że to tylko jabłko spada na Ziemię.

Jeśli chodziłoby nie o jabłko, ale o równorzędnego partnera Ziemi, a więc o zbliżone masą ciało niebieskie, skutki wzajemnego przyciągania się tych ciał byłyby już bardziej odczuwalne. Gdyby np. spadło na Ziemię ciało niebieskie wielkości Księżyca, to ruch Ziemi, spadającej równocześnie na taki Księżyc, byłby całkiem wyraźny.

Prawo powszechnego ciążenia (powszechnej grawitacji) dotyczy wszystkich bez wyjątku ciał. I dlatego fakt, że to wszechobecne prawo, które rządzi całym wszechświatem, jest w codziennym życiu prawie niedostrzegalne, wydaje się tak dziwny. Wprawdzie jabłko i inne przedmioty spadają na Ziemię, ale czy widział ktoś kiedykolwiek, aby przyciągały się wzajemnie miedzy sobą dwa jabłka lub dwie osoby, albo dwa statki na morzu. Dlaczego nie odczuwamy w tych i wielu innych przypadkach sił grawitacji? Czy możliwe jest, aby nie działały one wcale?

Działają z całą pewnością. Obliczono, że każdy gram przyciąga każdy inny gram, obojętne jakiego rodzaju materiału, z odległości jednego centymetra siłą, która w przybliżeniu równa się jednej piętnastomiliardowej części tej siły, jaką każdy z tych gramów przyciągane jest przez Ziemię. Jeśli zmienimy odległość lub wielkość działających na siebie mas, to zmieni się również wielkość siły ich wzajemnego oddziaływania. Jest ona proporcjonalna do iloczynu mas i odwrotne proporcjonalna do kwadratu odległości tych mas.

Ciekawostka – wzajemne ciążenie grawitacyjne dwóch osób wynosi, z odległości jednego metra, zaledwie trzy dziesięciomilionowe części niutona. Dwa jabłka z odległości 10 cm przyciągają się z siłą równą zaledwie jednej piętnastomiliardowej części niutona. Dwa krążowniki każdy o masie 100 000 ton, z odległości 100 m przyciągają się z siłą około 64 N. Oczywiście w tych i innych przypadkach, to wciąż za mało, aby poruszyć te ciała ku sobie, przezwyciężyć opór wody, powietrza i/lub podłoża oraz nadać im pewną prędkość pod działaniem sił grawitacyjnych. Nic więc dziwnego, że nie dostrzegamy zupełnie grawitacji wzajemnej między przedmiotami ziemskimi lub własnymi ciałami.

Jazda na rowerze

Każdy kolarz, wchodząc w zakręt, pochyla się do wewnątrz w jego stronę i to tym bardziej , im szybciej jedzie. Dobrze jeździć na rowerze tzn. stosować prawa fizyki, chociaż właściwie znajomość tych praw w tym przypadku nie jest konieczna. Kolarz wyczuwa na zakręcie taki sposób jazdy, który zapewnia mu bezpieczeństwo. Pomaga mu w tym zmysł równowagi, ćwiczony od dziecka już przy nauce chodzenia.

Cała sztuka przejechania zakrętu polega na wytworzeniu siły dośrodkowej, która zmieni tor z linii prostej na łuk. Ponieważ w czasie jazdy kolarz nie może niczego przytrzymać się, tak jak np. sznur na karuzeli, dlatego też nie pozostaje mu nic innego jak pochylić się wraz z rowerem do wewnętrznej strony zakrętu. Siła ciężkości na zakręcie rozłoży się na dwie składowe: jedną z nich będzie nacisk koła na jezdnię, drugą pozioma siła dośrodkowa.

Siła dośrodkowa jest tym większa, im szybciej przejeżdżamy przez dany zakręt. Jeśli tak, to chcąc przejechać bezpiecznie, musimy wraz ze wzrostem prędkości bardziej pochylić się do wewnętrznej strony zakrętu. Tajemnicę bezpiecznej jazdy należy jeszcze wyjaśnić rozpatrując siłę z jaką koło roweru naciska na jezdnię. Ponieważ rower nachylony jest ukośnie do jezdni, siła z jaką koło roweru naciska nie działa pionowo, ale skierowane jest ukośnie.

Nie ma obawy o ześlizgnięcie się koła w bok, jeżeli jest ono dociśnięte prostopadle do jezdni. Gdy dociśnięte jest ukośnie koło może się ześlizgnąć. Ponieważ jazda na zakrętach wymaga pochylenia roweru zatem musimy się liczyć z poślizgiem koła. Aby temu przeciwdziałać, tory wyścigowe, na których odbywają się jazdy z dużymi prędkościami, budowane są z pewnym nachyleniem, właśnie dlatego, aby kolarz mógł bez obawy i bezpiecznie brać zakręt.

Tarcie w przyrodzie

Czasami zdarza się konieczność przesunięcia jakiegoś ciężkiego mebla, np. szafy. Przy dostatecznej pomocy kilku domowników szafa daje się ruszyć i przesunąć na nowe miejsce. Trudności tego zbiorowego przedsięwzięcia z natury rzeczy wywołują ożywioną dyskusję połączoną z wzajemnie udzielanymi radami na temat skuteczności zbiorowego wysiłku. Nie zdarzyło się chyba jednak nigdy, aby ktoś podsunął myśl przeniesienia ciężkiej szafy zamiast jej przesuwania. Przedmiot nawet najcięższy zawsze jest łatwiej przesunąć niż podnieść i o tym wie każdy, choćby się nigdy nie uczył fizyki. Każdy wyczuwa również, że siła której należy użyć do przesunięcia przedmiotu, zależy od jego ciężaru oraz od gładkości stykających się powierzchni, w naszym przypadku od powierzchni podłogi i nóg szafy.

Wszystkie przedmioty, które poruszają się po jakimkolwiek podłożu, a więc szafa po podłodze, łódź po wodzie, opona samochodu po drodze itd., napotykają pewien opór hamujący ruch. Przedmioty poruszające się w powietrzu również napotykają podobny opór, który przy dużych prędkościach może być bardzo znaczny.

Opór ten, czyli siłę przeciwstawiającą się ruchowi, nazywa się w fizyce siłą tarcia. Wartość tej siły zależy od ciężaru ciała wprost proporcjonalnie (tzn. im większy ciężar ciała tym większy opór jaki to ciało stawia podczas np. przesuwania). Ciągnąc lub pchając ciało po określonej powierzchni okazuje się, że aby tego dokonać należy użyć w każdym przypadku tej samej siły, niezależnie od tego którą powierzchnią ciało styka się z podłożem. Wobec tego nasuwa się wniosek, że siła tarcia nie zależy od wielkości powierzchni, którą ciało styka się z podłożem.

Można się przekonać, dzieląc wartość siły tarcia przez ciężar ciała, że iloraz ten jest stały dla ustalonych powierzchni (ciała i podłoża). Ten ułamek nazywamy współczynnikiem tarcia. Jest to bardzo wygodny współczynnik. Chcąc obliczyć wartość siły tarcia, należy ciężar przesuwanego ciała pomnożyć przez współczynnik tarcia, jaki występuje między trącymi się powierzchniami. Współczynnik tarcia zależy od rodzaju powierzchni i materiałów.

Tarcie występuje powszechnie w przyrodzie. Często jest przeszkodą i utrudnieniem, często jednak niezbędną pomocą. Z jednej strony gdyby nie tarcie nie zużywałyby się nasze ubrania, buty, opony samochodowe, części maszyn itd. Z drugiej jednak strony, gdyby nie tarcie, nie moglibyśmy ani chodzić, ani jeździć, ani nic trzymać w ręku. Tarcie jest niezbędne w naszym życiu, ale zbyt duże wcale nie jest nam potrzebne, ponieważ np. zmniejsza rezultaty pracy maszyn i wywołuje zbędne nagrzewanie się, z którym trzeba prowadzić walkę.

Maszyny proste

Maszyny używane są przez człowieka po to, aby ułatwić mu wykonanie pracy. Spotykamy wiele różnych maszyn. Na szczęście dla nas wszystkie, nawet najbardziej skomplikowane urządzenia mechaniczne, opierają się na dwóch odmianach. Odmiany te nazywamy maszynami prostymi. Istnieje więc maszyna prosta zwana dźwignią i maszyna prosta zwana równią pochyłą. W skomplikowanych mechanizmach pokrewieństwo do maszyn prostych jest często ukryte, ale jeśli się dobrze zastanowimy, to zawsze dojdziemy do zasady albo dźwigni, albo równi pochyłej lub do obydwu.

O dźwigni była mowa w artykule „Dajcie mi punkt podparcia a podniosę Ziemię”, teraz czas na równię pochyła. Przypuśćmy, że trzeba betonowy blok o ciężarze 1000 N podnieść na platformę znajdującą się o metr nad powierzchnią Ziemi. Wyobraźmy sobie, że nie mamy nikogo do pomocy, aby wykonać to zadanie. Jeśli jednak postaramy się o długą deskę, to sami będziemy mogli wykonać tę pracę, przesuwając betonowy blok od dołu ku górze po desce przystawionej pochyło do platformy. Tak ustawiona deska jest przykładem równi pochyłej.

Betonowy blok, spoczywając na równi pochyłej, usiłuje ześliznąć się w dół (czemu przeciwdziałamy) oraz na deskę (czemu przeciwstawia się sama deska). W ten sposób równia pochyła w postaci naszej deski, powoduje, że ciężar betonowego bloku rozkłada się na dwie części (dwie składowe). Jedna z nich jest równoległa do równi, a druga prostopadła do niej. Zyskując na sile tracimy na drodze. Zamiast działać na krótkim odcinku, co miałoby miejsce, gdybyśmy podnieśli ciężar z ziemi wprost na platformę, musielibyśmy popychać go na znacznie dłuższym odcinku przesuwając betonowy blok wzdłuż deski.

Równia pochyła stosowana jest bardzo często. Każda droga wspinająca się w górę to równia pochyła. Schody w domu to także równia pochyła. Równia pochyła stosowana jest również w postaci zamaskowanej. Mało kto wie, że w każdej śrubie zastosowana jest zasada równi pochyłej, chociaż na pierwszy rzut oka wydaje się, że nie mają one ze sobą nic wspólnego.

Lecimy w kosmos

Ziemia przyciąga wszystkie ciała znajdujące się na jej powierzchni. Gdy wyrzucimy w górę kamień, spada on z powrotem. Gdy wyrzucimy go z procy – poleci wyżej, ale też spadnie. Gdy wystrzelimy pocisk z działa, poleci on wysoko i znowu spadnie na Ziemię.

Możemy się zastanawiać czy istnieje taka prędkość, przy której ciało wyrzucone z Ziemi nie spadłoby z powrotem, czyli prędkość przy której ciało mogłoby „uciec” z Ziemi. Otóż okazuje się, że taka prędkość istnieje i została nazwana prędkością ucieczki (lub drugą prędkością kosmiczną). Prędkość ta wynosi około 11,2 km/s.

Powietrze stawia ciałom opór zależny od ich prędkości. Im większa prędkość, tym większy opór, przy czym wzrost oporu jest znacznie większy niż wzrost prędkości. Dla bardzo dużych prędkości, które spotyka się w astronautyce, opór ten staje się ogromny.

Prędkość ucieczki jest istotna tylko wówczas, gdy chcemy, aby sztuczne ciało niebieskie stało się planetą Słońca, czyli aby oderwało się od Ziemi. Natomiast satelitom Ziemi, jak i statkom kosmicznym, mającym krążyć dookoła naszej planety, wystarczy nadać prędkość mniejszą niż prędkość ucieczki, bo tylko około 7,9 km/s (jest to tzw. pierwsza prędkość kosmiczna).

Uderz w stół, a nożyce się odezwą

Powyższe znane przysłowie oprócz pewnego morału zawiera w sobie również i treść fizyczną. Morał ma znaczenie metaforyczne i nie będziemy się nim zajmowali, natomiast jego treść fizyczna dotyczy faktu, który łatwo stwierdzić uchem. Leżące na stole nożyczki mogą wydać cichy dźwięk, gdy mocno uderzymy w stół.

Uderzając w stół wprawiamy go w krótkotrwałe drganie, które przenosi się na leżące nożyczki i pobudza je również do drgania. Dowodem na wystąpienie drgania jest dźwięk dochodzący do naszych uszu. Możemy zatem stwierdzić, że drganie jednego ciała, w pewnych przypadkach, wywołuje drganie innego.

Rzecz polega na tym, że każde ciało zdolne do drgań najchętniej drga w pewnym określonym rytmie. Rytm ten nazywamy częstotliwością drgań swobodnych. Nazwa ta oznacza drgania, które wykonywać będzie ciało poddane jakiemuś pchnięciu, czy szarpnięciu i pozostawione sobie. Wówczas drga ono swobodnie, chociaż zazwyczaj bardzo krótko, ponieważ zawsze występuje tłumienie takiego ruchu, który szybko zanika. Odchylając na przykład z pewną siłą sprężysty pręt zamocowany w imadle i puszczając go nagle wywołujemy właśnie takie drgania swobodne z określoną dla danego pręta częstotliwością.

Siła odśrodkowa czy siła dośrodkowa

Omawiając ruch obrotowy czasem używa się terminu siła dośrodkowa, a czasem odśrodkowa. Stosunkowo łatwo jest odróżnić te siły. Trzeba tylko pamiętać, kto opisuje omawiany ruch.

Wyobraźmy sobie, że jesteśmy na karuzeli w kształcie poziomego koła (platformy). Nietrudno się domyśleć co się stanie gdy karuzela zacznie się obracać. W pewnym momencie obserwator poruszający się wraz z karuzela upuścił piłeczkę, która przestała się obracać razem z platformą. Obserwator stojący poza karuzelą stwierdzi, że piłeczka zaczęła się poruszać po linii prostej i stoczyła się na zewnątrz. Gdyby pasażer chciał zatrzymać piłeczkę na kole (platformie), musiałby ją przytrzymać ręką. Siła pochodząca od ręki byłaby właśnie siłą dośrodkową, która zmieniłaby ruch prostoliniowy na ruch po okręgu.

Inaczej ruch piłeczki opisze obserwator poruszający się na karuzeli. Względem niego piłeczka, bez żadnego widocznego powodu zaczęła się oddalać od środka. Widoczne działała na nią jakaś nieznana siła, która wprawiła ją w ruch. Siłę tę nazywamy siłą odśrodkową lub siłą bezwładności. Chcąc zrównoważyć siłę odśrodkową tak, aby piłeczka leżała nieruchomo względem podłogi karuzeli, pasażer musiałby ją przytrzymać ręką. W podobny sposób łatwiej jest omówić działanie wirówki.

„Dajcie mi punkt podparcia a podniosę Ziemię”

Powyższą myśl wypowiedział już w starożytności Archimedes – wielki grecki uczony, który zajmował się fizyką, matematyką i sztuką inżynierską. Mieszkał wówczas w Syrakuzach na Sycylii, mieście, które wówczas było ośrodkiem kultury i rywalizowało z takimi stolicami jak Ateny czy Aleksandria.

Rzecz zawarta w powyższym tytule sprowadza się do zasady dźwigni, czyli sztywnego pręta podpartego w pewnym punkcie zwanym punktem podparcia. Punkt ten ma tę własność, że można dzięki niemu równoważyć i pokonywać wielkie siły przy użyciu stosunkowo małych sił. Rozumując w ten sposób można , oczywiście w teorii, podnieść Ziemię, jeśli dysponuje się punktem podparcia.

Jako przykład dźwigni może posłużyć mocna i długa deska odpowiednio podparta. Jeżeli z jednej strony, na jej krótszym końcu ustawimy ciężki przedmiot np. lodówkę, a na drugim końcu małe kilkuletnie dziecko, to zauważymy, że pomimo dużej różnicy w ciężarach tych ciał nawet małe dziecko może podnieść dowolnej wielkości ciężar. Warunek właściwie jest tylko jeden: punkt podparcia musi być odpowiedni, aby mały ciężar mógł zrównoważyć lub pokonać większy. Stosując pojęcia fizyczne powiemy, że ramię działania siły lodówki jest krótkie, a ramię działania siły małego dziecka jest długie.

Zasada działanie dźwigni znajdującej się w równowadze brzmi prosto: iloczyn siły przez jej ramię z jednej strony dźwigni jest równy takiemu samemu iloczynowi siły przez jej ramię z drugiej strony dźwigni. Zatem powiększając ramię działania, możemy niemal dowolnie zmniejszyć siłę potrzebną do pokonania innej, nawet ogromnej siły.

Zasada dźwigni znalazła zastosowanie w wielu maszynach i urządzeniach. Jednym z jej praktycznych zastosowań jest powszechnie znany blok lub wielokrążek. Blok można często zaobserwować na rozmaitych budowach. Dzięki niemu robotnicy podają na górę drobne ilości materiałów, ciągnąc za linę u dołu. Urządzenie to jest bardzo wygodne gdyż oszczędza wysiłku wspinania się z ciężarem na wysokość.

Co waży więcej: kilo żelaza czy kilo pierza?

Odpowiedź na to pytanie wydaje się banalna. Sądzę, że dużo nie pomylę się, jeśli stwierdzę, że większość z nas odpowiedziałoby na nie: kilo to jest kilo i wszystko jedno czego dotyczy byle waga na, której ważymy była „sprawiedliwa”. Wobec takiego przekonania odpowiedzielibyśmy, że żelazo i pierze będą ważyć jednakowo. Jednak wielu z nas zapomina o najważniejszym. Zwykle pomiaru masy dokonujemy w określonym środowisku – dla nas tym środowiskiem jest powietrze, które choć go nie widać ma ogromny wpływ na wyniki pomiaru. Postaram się to wyjaśnić.

Znane nam prawo Archimedesa odnosi się nie tylko do cieczy, ale i do gazów. W myśl tego prawa, ciało traci pozornie na ciężarze nie tylko, jeśli je zanurzymy w cieczy, ale również wtedy, gdy znajdzie się w środowisku gazowym (w naszym przypadku w powietrzu). Traci pozornie tyle, ile wynosi ciężar wypartej cieczy lub gazu przez to ciało. Skoro tak się dzieje to znaczy, że jakaś siła musi od dołu „podpierać” to ciało – siłę tę nazywamy wyporem.

Siła wyporu jest tym większa, tzn. ciało wypiera więcej powietrza, im większa jest jego objętość. Dokonując pomiaru masy na Ziemi musimy wziąć małą poprawkę. Waga wskazuje siłę przyciągania Ziemi, zmniejszoną o siłę wyporu. Powietrze jest bardzo lekkie: ciężar litra powietrza jest tylko nieco większy od 0,01 N dlatego też w sklepie nie zawracamy sobie głowy tak mała różnicą.

Gdybyśmy umieścili wagę szalkową z żelazem i pierzem pod ogromnym kloszem i wypompowali z niego powietrze, to waga natychmiast utraciłaby swoją równowagę i przechyliłaby się na stronę szalki z pierzem. Dzieje się tak dlatego, że powietrze „fałszuje” wskazania wagi, bo popycha ciało ku górze. Popycha tym mocniej, im więcej to ciało wypiera powietrza. Możemy stwierdzić, że ciężary żelaza i pierza, które porównujemy za pomocą wagi, równe sobie w powietrzu przestają być równe w próżni. Zatem, potocznie mówiąc, „kilo” pierza zwarzonego w powietrzu ma większą masę niż „kilo” żelaza.

Jajko jako żyroskop

Zanim uzasadnię, że zwykłe jajo może być modelem żyroskopu, przeprowadźmy krótkie doświadczenie. Weźmy dwa jajka jedno ugotowane i jedno surowe. Na oko nie różnią się wcale od siebie. Można stosować różne metody, aby je odróżnić, ale istnieje jedna bardzo prosta i skuteczna –wystarczy, że wprawimy, je w szybki ruch obrotowy, na płaskim stole, używając jedynie swojego kciuka i palca wskazującego.

Sprawa z jajkami wyjaśnia się od razu. Jajko surowe obraca się z trudem i bardzo krótko. Natomiast jajko ugotowane (zwłaszcza na twardo) wiruje lekko i szybko. Przyczyną niejednakowego zachowania się jajek jest ich budowa wewnętrzna. Jajko surowe wypełnione jest cieczą, lepką masą, nie związaną ze skorupką, natomiast jajko ugotowane tworzy silnie związaną masę. W skutek tego w jajku surowym obracać się będzie niemal tylko lekka skorupka, która nie pociągnie za sobą ciekłego wnętrza. Inaczej zachowa się jajko gotowane. Ruch obrotowy jaki mu nadamy, obejmuje całe jego wnętrze, związane w jedną całość ze skorupką.

Wykonajmy jeszcze jedno bardzo ciekawe i proste doświadczenie, nie wymagające żadnych dodatkowych przyrządów. Z jajka surowego zróbmy tzw. „wydmuszkę”. Oznacza to, że trzeba w nim zrobić dwie małe dziurki na obu końcach i delikatnie wydmuchać zawartość skorupki. Następnie bierzemy pustą, lekką skorupkę i podobnie jak poprzednio kładziemy na stole wprawiając w szybki ruch obrotowy. Po krótkiej chwili obracające się jajko podnosi się i wiruje dalej w pozycji pionowej.

Dlaczego tak się dzieje, że wirujące jajko nie upada, tylko utrzymuje taką nienaturalną pozycję stojącą? Odpowiedź na to pytanie jest prosta: dlatego, że takie jajko to nic innego jak żyroskop, albo jak kto woli zwykły bąk, którym bawią się tysiące dzieci. Nawiązując do historii – gdyby o tym wiedział Kolumb zapewne inaczej rozwiązałby swoje słynne zadanie. Przypominam, że Kolumb postawił jajko pionowo uderzając silnie jednym jego końcem o stół i tłukąc część skorupki.

Jak zważyć samochód bez wagi?

Wbrew pozorom nie jest to takie trudne do wykonania. Trzeba tylko wiedzieć, jakie jest ciśnienie w oponach, a ciężar samochodu można obliczyć. Kierowcy zapewne wiedzą jak je zmierzyć. Do tego potrzebują przyrządu, który nazywamy manometrem. No dobrze, ale co zrobić, jeżeli nie mamy manometru? Jak „zmierzyć” ciśnienie w oponach bez tego przyrządu?

Będziemy potrzebowali zwykłej kartki w kratkę i coś do pisania, np. ołówek. Zanim jednak powiem jak jej użyć wyjaśnię co to jest ciśnienie. Otóż ciśnienie jest to siła, ale nie taka zwyczajna, tylko siła nacisku na centymetr kwadratowy. W oponach jest sprężone powietrze, które napiera jednakowo na wszystkie strony. Jeśli samochód złapie tzw. gumę, powietrze ucieknie ze środka, a koło „siądzie” bo nie ma ciśnienia. Patrząc na koło samochodowe, które jest napompowane, widzimy, że jest trochę spłaszczone przy ziemi. Wynika to z faktu, że samochód opiera się swoim ciężarem na kołach i każde z nich musi dźwigać mniej więcej ćwierć tego ciężaru. 

Przejdźmy teraz do sedna. Jedyne co musimy zrobić to położyć kartkę pod kołem samochodu, przesunąć go tak, aby koło wjechało na papier i możliwie jak najdokładniej obrysować odcisk, jaki zostawia na papierze opona. Następnie należy cofnąć samochód i obliczyć (w przybliżeniu) powierzchnię tego odcisku. Nie powinno to być takie trudne, ponieważ odcisk ten powinien mieć w przybliżeniu kształt prostokąta, a pojedyncza kratka ma wymiary 0,5cm na 0,5cm.

Dalej to kwestia obliczeń. Dla przykładu przyjmijmy, że zmierzona powierzchnia to około 300 cm². W samochodach pompuje się opony do około 15 N na 1 cm². Ciśnienie w oponie jest tak naprawdę większe, bo należy jeszcze dodać ciśnienie atmosferyczne wynoszące 10 N na 1 cm². W oponie więc mamy nadciśnienie, czyli 25 N na 1 cm², a z zewnątrz ciśnie powietrze z siłą 10 N na 1 cm². W efekcie każdy cm² opony spłaszczonej pod ciężarem samochodu „dźwiga” na sobie 15 N (różnica pomiędzy ciężarem wewnątrz i na zewnątrz opony). Ponieważ w naszym przykładzie tych cm² jest 300, zatem ciężar jaki dźwiga jedno koło, wynosi: 15 N/cm² · 300 cm² = 4500 N. Łatwo policzyć, że ciężar całego samochodu wynosi 4 · 4500 N = 18000 N, co po podzieleniu przez przyspieszenie ziemskie (około 10N/kg), daje masę 1800 kg. Oczywiście jest to wynik przybliżony. Należy pamiętać, że ciężar samochodu nie jest równo rozłożony, a przyspieszenie ziemskie ma wartość nie 10 a 9,81N/kg i zależy od szerokości geograficznej. Poza tym na dokładność naszego pomiaru miała wpływ dokładność obrysu odcisku samochodu i obliczenia jego powierzchni. Niemniej jednak jest to całkiem dobry wynik.

Dlaczego fizyka jest ciekawa?

Zanim odpowiem na to pytanie wrócę myślami do czasów szkolnych, do tego jak jest postrzegana przez zdecydowaną większość uczniów w szkole. Otóż, jak się nietrudno domyślić, już na sam dźwięk słowa „fizyka” niejednemu z nich serce podchodzi do gardła, niejeden chciałby zrobić w tył zwrot i pod byle pretekstem urwać się z lekcji, wielu też marzy o tym, aby móc choć na trochę przyspieszyć czas. Na szczęście są i tacy, dla których fizyka to nie tylko nudne doświadczenia, trudne rachunki, regułki i wzory. To ludzie, dla których fizyka to nauka nie tylko pożyteczna, ale również ciekawa. Jej prawa i zasady ukryte są w wielu urządzeniach i mechanizmach z którymi się ciągle spotykamy. Znajomość tych praw i zasad jest koniecznością dla tych, którzy chcą zrozumieć to co się dookoła nich dzieje.

Postaram się pokazać, że dość powszechnie utarty pogląd, że fizyka jest nudna – nie odpowiada prawdzie. Uważam, że taki stereotyp jest dobry, dla ludzi, którzy nie lubią myśleć. Żyjemy w czasach niezwykłego postępu techniki, który nikogo nie zostawia obojętnym. Każdy z nas bezpośrednio lub pośrednio korzysta z dobrodziejstw jakie niosą ze sobą odkrycia i zdobycze tej pięknej nauki. Oto kilka przykładów: radio, telewizja, Internet, elektrownie atomowe, samochody, statki, maszyny budowlane, rolnicze, ogrodnicze, telefony komórkowe, pralki, lodówki, kuchenki, miksery, kombi wary, komputery, satelity, żarówki … itd. To tylko przysłowiowa kropla w morzu zastosowań fizyki. Te i wiele innych osiągnięć technicznych opiera się na jej prawach i zasadach. Zatem nauka ta nie może być nudna gdyż przynosi nam w darze wiele korzyści w postaci tych i wielu innych cudów techniki.

Warto zapamiętać, że FIZYKA JEST WSZĘDZIE, a znajomość jej praw i zasad może okazać się dla nas pożyteczna w różnych, często niespodziewanych sytuacjach. W następnych rozważaniach postaram się pogłębić zainteresowanie fizyką i ukazać jej pożytek dla ludzi. W tym celu przedstawię kilka łatwych i prostych doświadczeń, które można wykonać w niemal każdych warunkach.