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.

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.