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.

Akcja równa się reakcji

Siła, która powoduje tyle rozmaitych działań, jako pojedyncze zjawisko nie istnieje. Każda siła, gdziekolwiek działa, zawsze napotyka taka samą i przeciwnie skierowaną drugą siłę. Jeśli jedną z nich nazwiemy akcją (działaniem), to druga będzie reakcją (przeciwdziałanie).

Każda akcja napotyka więc zawsze równą i przeciwnie skierowaną reakcję. Jeśli np. koń ciągnie ciężar przywiązany do linki, to ciężar ten ciągnie konia wstecz. Można tu zadać pytanie: jak to właściwie jest? Jeśli akcja równa się reakcji, to przecież koń w zaprzęgu nie może się poruszać, bo taka sama siła ciągnie go wstecz, z jaką on ciągnie do przodu. Otóż rzecz w tym, że siły akcji i reakcji są zawsze przyłożone do różnych ciał i dlatego wcale się nie równoważą. Jedna z tych sił przyłożona jest do bloku, który ciągnie koń, a druga do konia. Siły te, choć równe sobie i przeciwnie skierowane, nie mogą się równoważyć, bo są przyłożone do różnych ciał.

Sił wzajemnie równoważących się nie należy mylić z siłami akcji i reakcji, które zawsze przyłożone są do różnych ciał. Zasada akcji i reakcji nie jest wcale taka łatwa do zrozumienia w przypadku ruchu jednostajnego i ciał znajdujących się w spoczynku.

Stała cecha natury

Wyobraźmy sobie, że jedziemy w zatłoczonym autobusie. W pewnej chwili kierowca , wskutek jakiejś nagle zauważonej przeszkody, zaczyna gwałtownie hamować. Łatwo się domyśleć co się stanie w zatłoczonym autobusie: pasażerowie bezwładnie polecą naprzód. I tak będzie zawsze w podobnych przypadkach w samochodzie, wagonie kolejowym czy tramwaju. Ciało będące w ruchu „usiłuje” pozostać w tym stanie i dlatego, gdy autobus pod wpływem hamowania zmniejsza swą prędkość, wszystkie przedmioty i osoby z nim związane „usiłują” kontynuować swój ruch z nie zmniejszoną prędkością – „lecą do przodu”. Przy gwałtownym ruszaniu z miejsca sytuacja jest odwrotna, wszyscy „lecą do tyłu”. Jednak zasada pozostaje taka sama.

Natura przeciwstawia się więc zmianie ruchu, jest to jej stała, niezmienna cecha, przy tym dotyczy to wszystkich zmian ruchu. Nie tylko zmiana samej wartości prędkości powoduje te skutki. Zmiana kierunku prędkości także wywołuje tendencję do przeciwstawiania się jej. Wszelka jazda na zakrętach powoduje ruchy dodatkowe, dążące do zachowania dotychczasowego, prostoliniowego kierunku poruszania się.
Takie zachowanie się ciał materialnych jest przejawem pewnej ich własności, która w fizyce nazywa się bezwładnością. Bezwładność to ociężałość, nieruchliwość, nienadążanie. Bezwładność ciał sprzeciwia się więc wszystkiemu, co stanowi o zmianie ich ruchu.

Fizycy mierzą wszelkie własności ciał, gdyż fizyka jest nauką ścisłą i pomiar odgrywa w niej rolę decydującą. Mierzą więc także bezwładność ciał, a miarą tej bezwładności jest ich masa. Im większa masa, tym większa bezwładność i na odwrót.

Jak powstaje tęcza?

Widok tęczy rozpościerającej się na niebie jest zachwycający swym pięknem. Nie będzie dużą przesadą stwierdzenie, że każdy kto widział tęczę zachwycał się jej wyglądem. „Cud” powstawania tęczy odbywa się w kropelce wody. Dzięki temu, że kropelek tych są miliardy powstaje to wspaniałe zjawisko natury.

Tęcza powstaje dzięki temu, że światło może odbijać się i załamywać, załamywanie zaś światła pociąga za sobą jego rozszczepienie na barwy. Zjawisko odbicia światła jest stosunkowo proste. Gdy powierzchnia, na którą pada światło, jest dostatecznie gładka, światło odbite podąża w określonym kierunku, tak właśnie, jak to ma miejsce przy zabawie w „zajączka”. Gdy powierzchnia nie jest dość gładka (chropowata), światło odbija się w różnych kierunkach. Doskonale odbijają światło: wypolerowana blacha, szyba szklana, powierzchnia wody.

Załamanie światła jest zjawiskiem bardziej skomplikowanym. Chodzi w nim o to, że promień światła przechodząc przez różne przezroczyste ośrodki, takie jak np. woda, szkło, powietrze, zmienia swój kierunek na granicy tych ośrodków, czyli odchyla się od linii prostej, po której zawsze się porusza. Odchyla się i dalej znowu biegnie po linii prostej.

To jeszcze nie wszystko. Światło słoneczne jest tzw. światłem białym, czyli składa się z mieszaniny różnych barw. Jest to światło złożone w odróżnieniu od światła jednorodnego, o jednej barwie. Każda barwa załamuje się inaczej, jedna więcej, inna mniej. Najbardziej załamuje się światło fioletowe, trochę mniej niebieskie i kolejno coraz mniej – zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone. Za pomocą pryzmatu można zademonstrować to zjawisko zwane rozszczepieniem światła. Daje ono barwne pasmo zwane widmem światła białego (lub słonecznego).

Właśnie takie samo widmo światła słonecznego stanowi tęcza. Powstaje ona podczas deszczu, albo bezpośrednio po nim, gdy niebo oczyści się z chmur. Obserwator widzi tęczę przed sobą, gdy stoi plecami do Słońca. Sama tęcza przedstawia półkolisty krąg złożony z poszczególnych barw widmowych, przechodzących stopniowo jedna w drugą; u góry jest pasmo czerwieni, u dołu pasmo fioletu, a między nimi kolejno pasma pozostałych barw widmowych.

Świat dźwięków

Żyjemy w świecie wypełnionym dźwiękami, ale czy wiemy skąd biorą się te wszystkie odgłosy, których jest tak wiele? Czy to śpiew ptaków, szum drzew, szmer fal czy też odgłos pracy maszyn, rozmowa, huk strzału, hałas, zgrzyt lub setki innych dźwięków i głosów. Wywołane są one mianowicie przez ciała materialne pobudzone do szybkich ruchów drgających.

Ruch drgający możemy zilustrować posługując się linijką. Jeden jej konie przyłożymy silnie do stołu, podczas gdy drugi koniec gwałtownie szarpniemy. Linijka zaczyna drgać, a my usłyszymy charakterystyczny szum. Organem słuchu jest ucho, jedno z najdoskonalszych urządzeń jakie zna natura. Ucho reaguje na drgania ciał materialnych dzięki temu, że drgania te wywołują z kolei drgania powietrza, a te ostatnie przenoszą się bardzo szybko we wszystkich kierunkach.

Drgania linijki łatwo sobie wyobrazić, a nawet zobaczyć obserwując jej koniec wprawiony w ruch. Ale jak wyobrazić sobie drgania powietrza? Zobaczyć ich nie można, bo powietrze jest niewidzialne, ale można je porównać z drgającą wodą. Jeśli wrzucimy kamień, to fale rozchodzą się kręgami po powierzchni, natomiast fale głosowe w powietrzu rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Fala na wodzie tworzy kręgi współśrodkowe, fala w powietrzu, tworzy współśrodkowe kule wypełniające przestrzeń. Pierwsza wprawia w ruch wodę, druga – powietrze.

Gdyby nie było powietrza, nie moglibyśmy nic usłyszeć, ponieważ drgania wykonywane przez jakiekolwiek ciało materialne nie miałoby żadnego przenoszącego je pośrednika. Znajdując się na Księżycu kosmonauci nie usłyszeliby nawet najsilniejszego wybuchu, bo na Księżycu nie ma powietrza. Fale dźwiękowe rozchodzą się nie tylko w powietrzu. Biegną również przez wiele innych ciał: przez wodę, ziemię, drewno, metale, szkło itd. Co ciekawsze, ich prędkość w tych ciałach jest jeszcze większa niż w powietrzu.

Praca i energia

W fizyce często zdarza się, że na określenie rozmaitych pojęć używa się słów potocznych. Stąd pochodzą różne rozbieżności. Najlepszym przykładem takiej rozbieżności jest np. słowo „praca”. Słowo to inaczej rozumie fizyk, a inaczej człowiek używający go na co dzień.

Gdybyśmy stali przez pewien czas z ciężką walizką w ręku, na pewno uważalibyśmy za słuszne nazwać wysiłek naszych mięśni pracą. Tymczasem fizyk powie, że żadna praca nie została tu wykonana. O pracy w sensie fizycznym może być mowa tylko wówczas, gdy wysiłkowi towarzyszy ruch przedmiotu, na który ten wysiłek został skierowany, gdy przedmiot ten przebędzie jakąś drogę pod wpływem działania siły i gdy kąt pomiędzy kierunkiem działania siły, a kierunkiem przemieszczenie tego przedmiotu nie będzie katem prostym.

Słowo „energia” jest drugim przykładem rozbieżności. W mowie potocznej mówimy, że ktoś jest energiczny, że wykazał wielką energię w załatwieniu jakiejś sprawy. Tymczasem fizyk określa energię jako zdolność ciała do wykonania pracy, czyli zdolność, którą można ściśle zmierzyć. Przykładem może być silnie napięta sprężyna, która jest zdolna do wykonania pracy. Podobnie ciężarki zegara wahadłowego, gdy znajdą się u góry, kryją w sobie energię do poruszania jego mechanizmu. Wymienione tu przykłady dotyczą pewnego rodzaju energii. Jest nią energia potencjalna, czyli energia związana z położeniem ciała, zwana też energią spoczynkową. Ciała będące w ruchu też są „magazynem” energii, zwanej kinetyczną. Przykładem może być kula, która przebijając deską wykonuje pracę kosztem energii swego ruchu, koszem energii kinetycznej.

W przyrodzie obserwujemy wielkie bogactwo form energii. Najczęściej spotykane to energia mechaniczna (potencjalna i kinetyczna), cieplna, chemiczna i elektryczna. Wszystkie te i inne postacie energii mogą wzajemnie przechodzić jedne w drugie w niezliczonych zjawiskach przyrody, która nas otacza. Oprócz olbrzymiej liczby przemian spowodowanej przez człowieka istnieją oczywiście także przemiany naturalne np. energia promieni słonecznych padając na liście drzew zamienia się w energię chemiczną.

Palenie w piecu

Jak wiadomo, spalanie jest procesem chemicznym, w którym tlen łączy się z ciałem palącym się. Warunkiem palenia jest więc dostateczny dopływ tlenu, który znajduje się w powietrzu w ilości około 20%.

Paliwo spalając się dostarcza ciepła. Powstaje ono z energii chemicznej, która tkwi w paliwie. Znamy rozmaite rodzaje paliw. Według stanu skupienia, w jakim występują, można je podzielić na: stałe, ciekłe i gazowe. Paliwa można również sklasyfikować ze względu na inno właściwość, a mianowicie ze względu na tzw. ciepło spalania.

Wracając do tematu pieca domowego, w którym spalamy węgiel, możemy zauważyć, że kiedy w piecu rozpalamy kawałkami suchego drewna, słyszymy jak huczy. Ten odgłos powstaje wskutek tego, że przez piec przepływa dość silny strumień powietrza, niosący tlen niezbędny w procesie palenia. Jest to tzw. ciąg, który powstaje w piecu podczas palenia.

W naszych domowych piecach ciąg jest naturalny, a powstaje on dzięki temu, że gorące powietrze, wypełniające przewód kominowy, jest „lżejsze” (czyli gęstość powietrza, zmieszanego z gorącymi spalinami, w przewodzie kominowym jest mniejsza niż gęstość powietrza zewnętrznego) od zimnego powietrza. Lżejsze, a więc rzadsze powietrze wypełniające przewód kominowy wywołuje w nim tzw. podciśnienie, czyli ciśnienie mniejsze niż to jakie panuje na zewnątrz.

Wyobraźmy sobie piec domowy z przewodem kominowym. U wylotu komina panuje oczywiście ciśnienie atmosferyczne, odpowiadające wysokości komina. W dole komina ciśnienie atmosferyczne jest wyższe niż u góry, ponieważ jest tam wyższy słup powietrza. Jeżeli teraz rozpalimy w piecu, to w przewodzie kominowym znajdować się będzie powietrze ogrzane (a więc lżejsze) i słup ogrzanego powietrza będzie wywierał mniejsze ciśnienie wewnątrz komina niż ciśnienie powietrza na zewnątrz. W rezultacie wnętrze pieca, połączone z przewodem kominowym, znajdzie się w stanie tzw. podciśnienia, czyli ciśnienia niższego od atmosferycznego. Wskutek tego ciśnienie atmosferyczne będzie wtłaczać od dołu powietrze do pieca tworząc naturalny ciąg. Ciąg ten jest tym większy, im wyższy komin zbudujemy. Dlatego właśnie kominy fabryczne są bardzo wysokie, a ulatujący z nich dym jest mniej kłopotliwy dla otoczenia. Łatwiej jest rozpalić w piecu w mieszkaniu znajdującym się na niższym piętrze niż w piecu, który znajduje się w mieszkaniu na wyższym piętrze.

Praca i ciepło

Jednym z najbardziej podstawowych pojęć, z którym spotykamy się w nauce fizyki, jest pojęcie energii, czyli zdolności ciała do wykonania pracy. Energia występuje pod różnymi postaciami, np. jako energia mechaniczna, elektryczna, chemiczna, cieplna.

Ciepło jest pewną formą energii. Najczęściej można spotkać się z energię cieplną, ponieważ ma ją każde ciało. Temperatura ciała jest świadectwem ruchu molekuł (cząsteczek), zaś ruch molekuł określa energię. Gdy temperatura ciał jest niska , ruchy molekuł są powolniejsze, gdy jest wysoka stają się szybsze. Energia cieplna ciała chłodnego jest więc mniejsza niż energia tego ciała po ogrzaniu.

Temperatura, w której poruszające się molekuły znalazłyby się w zupełnym bezruchu, nazywa się temperaturą zera bezwzględnego i sama jej nazwa wskazuje, że jest to graniczna, najniższa temperatura jaka można sobie wyobrazić. Odpowiada jej zerowa prędkość ruchu molekularnego (cząsteczkowego). Stąd wniosek, że nie może istnieć temperatura niższa niż zero bezwzględne. Ponieważ temperatura wszystkich ciał na Ziemi, przewyższa i to znacznie temperaturę zera bezwzględnego, dlatego też można twierdzić, że energia cieplna jest najczęściej spotykaną formą energii.

Energia ma zdolność do zmiany swej postaci, np. przeistoczy się z energii cieplnej w mechaniczną, pozostając wciąż energią, czyli zdolnością ciał do wykonania pracy. Jedną z najważniejszych przemian energii jest zamiana ciepła w pracę i odwrotnie. Zamiana pracy mechaniczne w ciepło ma wielkie znaczenie w praktyce. Na tej zasadzie opiera się np. hamowanie wszelkich pojazdów. Jadący szybko samochód ma znaczną energię kinetyczną. Chcąc zwolnić jego ruch należy zastosować hamulce. Nagrzewają się one podczas hamowania i nagromadzona w nich energia zostaje wypromieniowana.
Jeszcze większe znaczenie ma przemiana odwrotna: ciepła w pracę mechaniczną.

Niezliczone ilości silników cieplnych: parowych i spalinowych, wykorzystują energię zawartą w paliwie i zamieniają ją w pracę mechaniczną. Proces ten zachodzi jednak z pewnymi ograniczeniami. Pracę można zawsze zamienić w ciepło, ale ciepło w pracę tylko przy spełnieniu pewnych warunków. Ciepło może przepływać samorzutnie tylko od ciał o temperaturze wyższej do ciał o temperaturze niższej. Aby zmusić ciepło do wędrówki, podczas której może ono wykonać pracę, musimy mieć dwa ciała jedno o temperaturze wyższej, które ciepło oddaje, drugie o temperaturze niższej, które ciepło pobiera. Ciepłem nazywamy właśnie energię, jaka przepływa od jednego ciała do drugiego z powodu różnicy temperatur między nimi. To prawo rządzi pracą wszystkich silników cieplnych.

Jak wyznaczono prędkość światła?

Duński uczony Olaf Römer około 300 lat temu obserwował księżyce , które krążą dookoła planety Jowisz. Römer oparł się na ruchu jednego z nich. Ten właśnie księżyc dokonywał pełnego okrążenia Jowisza w ciągu 42 godzin.

Krążąc w ten sposób dookoła Jowisza ten co 42 godziny chował się za swoją macierzystą planetę (Jowisza) i ulegał zaćmieniu. Ruch księżyca, jak ruch wszelkich ciał niebieskich, odbywał się z wielką regularnością (to było całkiem pewne), a więc i zaćmienia powinny następować dokładnie co 42 godziny. Tymczasem okazało się, że tak nie jest. Zaćmienia nie powtarzały się regularnie. W ciągu jednego półrocza stwierdzono, że zaćmienia opóźniły się, w ciągu drugiego, że zachodziły z pewnym przyspieszeniem. Zatem zjawisko, co do którego nie było żadnych wątpliwości, że odbywa się z wielką regularnością, wydawało się obserwatorom z Ziemi nieregularne. Można to było wytłumaczyć tym, że Ziemia porusza się po swojej orbicie dookoła Słońca.

Obserwacje astronomiczne opierają się na sygnałach dochodzących w postaci fal świetlnych. Fale te biegną z niezmiernie wielką prędkością – 300 000 km/s. Jest to największa prędkość w przyrodzie i przez długie lata myślano, że prędkość światła jest nieograniczona. Myślano tak dlatego, że przy ówczesnych środkach nie można było zmierzyć tak wielkiej prędkości. Prób takiego pomiaru było niemało, jednak wszystkie kończyły się niepowodzeniem. Dopiero Römer dokonał tego naprawdę wielkiego dzieła, jakim było określenie prędkości światła.

Rozumowanie Römera można opisać następująco: jeśli Ziemia znajduje się na swojej orbicie w najkrótszej odległości od Jowisza to światło będzie miało do przebycia najkrótszą drogę, podczas gdy w najdalszym położeniu droga będzie najdłuższa. Różnica tych dróg jest równa średnicy orbity Ziemi, czyli w przybliżeniu 300 000 000 km. Mając do pokonania dłuższą drogę nawet światło musi zużyć na nią więcej czasu. I rzeczywiście w najbliższej odległości Ziemi od Jowisza zaćmienia, obserwowanego przez Römera, księżyca następowały w najkrótszych odstępach czasu, a w najdalszej odległości – w najdłuższych. Różnica tych czasów wynosi około 1000 sekund i tyle właśnie czasu potrzebuje światło na pokonanie tej drogi. Dzieląc teraz różnicę czasu przez różnicę drogi otrzymano prędkość światła – 300 000 km/s. Był to zdumiewająco dokładny wynik, jak na tak odległe czasy.