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.

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.