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.