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.