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.