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.