Ich dobroczynny (a często zbawienny) wpływ na nasze bezpieczeństwo też jest oparty na wy-korzystaniu zjawiska bezwładności (tzw. pasy bezwładnościowe)! Jeżeli po zapięciu pasów bezpieczeństwa (a jest to nasz obowiązek) będziemy wykonywać normalne, powolne ruchy, to pasy będą się wydłużać, pozwalając na w miarę swobodne ruchy ciała. Jednak, gdy wykonamy gwałtowny ruch ciałem do przodu lub w bok, wtedy pas „zacina się” i hamuje nasz ruch. Scho-wany w karoserii koniec pasa ma balast, którego duża bezwładność uniemożliwia gwałtowne wysuwanie się pasa i powoduje ograniczenie ruchu naszego ciała. To samo zjawisko – bezwład-ność, które w przypadku kolizji lub gwałtownego hamowania zagraża naszemu życiu, wykorzy-stane w konstrukcji pasów bezpieczeństwa – ratuje nam życie.
Eksperymenty fizyczne
Proponujemy teraz wykonanie kilku doświadczeń, najpierw bardzo prostych, a potem bardziej skomplikowanych, by lepiej zrozumieć zjawisko bezwładności ciał.
1. Eksperyment I Materiały:
Szklanka, cięższa moneta (np. 5 zł) i kartka papieru.
Wykonanie:
Na początku przykrywamy szklankę kartką, na którą kładziemy monetę (ryc. 1a). Gdy kart-kę będziemy przesuwali powoli, to moneta przesunie się razem z kartką. Jeżeli pociągniemy kartkę gwałtownie, to moneta wpadnie do szklanki. Doświadczenie to możemy powtórzyć w trochę innej wersji. Pustą szklankę stawiamy na kartce papieru, leżącej na stole (ryc. 1b). Tak jak poprzednio, gdy kartkę będziemy przesuwać powoli, szklanka będzie poruszać się razem z nią, gdy kartkę szarpniemy szybko, to szklana pozostanie na stole w miejscu, które zajmowała przed rozpoczęciem doświadczenia. Bardziej efektownie wygląda to doświadczenie, jeżeli do szklanki nalejemy wody. Ze względu na większą masę, a więc i bezwładność, doświadczenie powinno być łatwiejsze do wykonania, a z powodu możliwości wylania wody przy niezdecydo-wanym ruchu ręki, bardziej emocjonujące!
Ryc. 1a. Ryc. 1b.
2. Eksperyment II
W tym doświadczeniu przypomnimy, że powietrze ma masę, którą cechuje bezwładność.
Materiały:
Stół, cienka listewka (ok. 30 cm, cieńsza od zwykłej linijki), gazeta.
Wykonanie:
Na płaskim stole kładziemy cienką listewkę, której część (około ¼ długości) wystaje poza kra-wędź stołu (ryc. 2). Listewkę nakrywamy gazetą. Gazeta musi dokładnie przylegać do listewki i stołu.
Jeżeli będziemy powoli naciskać na część listewki wystającej poza stół, to łatwo podniesiemy gazetę, gdy jednak silnie i szybko uderzymy w nią (możemy użyć młotka), to listewka złamie się, a gazeta pozostanie nieporuszona.
Przyczyną tego zjawiska jest bezwładność masy powietrza nad gazetą. Nie zawsze zdajemy sobie sprawę z tego, że masa powietrza naciskająca na 1 m2 powierzchni, to około 10 ton (1 kg na cm2). Kiedy szybko uderzymy w listewkę, gazeta w krótkim czasie nieznacznie się uno-si, zwiększając ciśnienie powietrza w warstwie przylegającej do niej od góry. Opór wynikający z tego powodu jest tak duży, że listewka się łamie.
3. Eksperyment III Materiały:
Ciężki przedmiot, np. klucz francuski, obcęgi, ciężarek, cegła itp., grubszy sznurek, nici lub cien-ki sznurek, rusztowanie do zawieszenia przedmiotu, ołówek lub kawałek listewcien-ki.
Wykonanie:
Do ciężkiego przedmiotu zaczepiamy nici z obu przeciwnych stron (patrz zdjęcie obok).
Grubszy sznurek (c) służy jako zabezpieczenie przed uderzeniem ciężkiego przedmiotu w eks-perymentatora lub podłogę. Cienkie, jednakowe nici lub sznureczki (a, b) muszą być tak dobra-ne, by górna część (a) była napięta do granic swojej wytrzymałości, więc przy pociągnięciu za dolną nitkę (b), powinna się zerwać. I tak się dzieje, gdy wolno ciągniemy za dolną część nici (b). Jednak, gdy pociągniemy gwałtownie nić (b), to zerwie się ona, a nić (a) nie ulega prze-rwaniu. Dzieje się tak dlatego, że duża masa zawieszonego przedmiotu na skutek swojej dużej
Ryc. 2.
bezwładności chroni górną nitkę (a) przed zerwaniem. Zanim przezwyciężona zostanie bez-władność zawieszonej masy, dolna nić (b) zostanie zerwana. Jeżeli ciągniemy wolno, to do naszej siły dołoży się ciężar dużej masy i górna nić (a) zostanie przerwana.
4. Eksperyment IV Materiały:
Równia pochyła, czyli deseczka o długości około 50 cm, stos książek, klocek lub pudełko zapa-łek oraz wózek-zabawka (może to być wagonik kolejki, model samochodziku ciężarowego lub jakiś inny pojazd) – ważne, by poruszał się łatwo, bez znaczących oporów.
Wykonanie:
Klocek ustawiamy na wózku, a wózek umieszczamy na końcu równi (patrz zdjęcie poniżej).
Kąt nachylenia równi dobieramy tak, by klocek przewracał się na stojącym wózku.
Następnie, nie zmieniając kąta nachylenia równi, puszczamy klocek z wózkiem. Zaobserwuje-my, że klocek w czasie zjeżdżania z równi nie przewraca się.
Rysunki 3 i 4 wyjaśniają, dlaczego tak się dzieje. Na rys. 3 pokazano rozkład sił działających na klocek w spoczynku. Niezrównoważony moment siły F powoduje przewrócenie się klocka.
Rys. 4 pokazuje siły działające na klocek w ruchu. W układzie odniesienia związanym z poru-szającym się z przyspieszeniem klockiem pojawia się siła bezwładności Fb, która równoważy składową siły ciężkości F1. Dlatego klocek nie przewraca się.
Rys. 3 Rys. 4
5. Eksperyment V Materiały:
Równia pochyła, czyli deseczka o długości około 50 cm, stos książek, szklanka lub inne naczynie z wodą i wózek-zabawka (może to być wagonik kolejki, model samochodziku ciężarowego lub jakiś inny pojazd) – ważne, by poruszał się łatwo, bez znaczących oporów.
Wykonanie:
Szklankę napełniamy do połowy wodą i umieszczamy na wózku. Po ustawieniu szklanki na wózku ustawiamy ten zestaw na końcu równi (patrz zdjęcie poniżej).
Następnie puszczamy swobodnie wózek i obserwujemy, że powierzchnia wody w szklance ustawia się równolegle do równi (zdjęcie poniżej).
Poniżej przedstawiamy rozkład działających wtedy sił, których wypadkowa ustawia się prosto-padle do równi.
Powierzchnia swobodna cieczy jest zawsze prostopadła do wypadkowej sił działających na ciecz. Dlatego, gdy ciecz spoczywa i nie występuje siła bezwładności, powierzchnia swobodna cieczy jest prostopadła do działającej pionowo w dół siły ciężkości, a w czasie ruchu przyspie-szonego pojawienie się siły bezwładności zmienia ustawienie powierzchni swobodnej cieczy.
Cele: Przybliżenie pojęcia nieważkości, kojarzonego najczęściej wyłącznie z lotami kosmicznymi.
Plan pracy:
• Najważniejsze pojęcia i ich krótkie definicje.
• Swobodny spadek i związany z nimstan nieważkości.
• Eksperymenty fizyczne
Najważniejsze pojęcia:
Spadek swobodny – ruch ciała upuszczonego w polu grawitacyjnym, przy zaniedbaniu oporu powietrza (czyli w próżni).
Stan nieważkości – stan, w którym pomiędzy ciałami nie działają siły wzajemnego nacisku (cia-ło nic nie waży, nie da się go zważyć).
Przyspieszenie grawitacyjne – przyspieszenie, którego doznają ciała swobodnie spadające w polu grawitacyjnym.
Pole grawitacyjne – przestrzeń, w której na umieszczoną w niej masę działa siła grawitacyjna.
Siła grawitacyjna – siła przyciągania pomiędzy dwiema masami, proporcjonalna do iloczynu ich mas, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy nimi.
Swobodny spadek i związany z nim stan nieważkości
Obserwacje swobodnego spadania ciał mają bardzo długą historię („...już starożytni Grecy...”).
Prawidłowe wnioski z obserwacji swobodnego spadania, czyli takiego,w którym ciało pod-niesione na pewną wysokość, po prostu upuszczamy, wyciągnął Galileusz. Wiemy dzisiaj, że wszystkie ciała spadają swobodnie w próżni z przyspieszeniem grawitacyjnym g, niezależnie od masy ciała. Przyspieszenie to maw Polsce wartość 9,81 m/s2. Jest ono wynikiem przyciągania wszystkich ciał przez Ziemię. W doświadczalnym potwierdzeniu faktu jednakowego przyspie-szenia wszystkich swobodnie spadających ciał, przeszkadza opór powietrza, który w dodatku rośnie ze wzrostem prędkości (o czym dobrze wiedzą kierowcy) i przy dostatecznie długiej dro-dze spadania prowadzi do ruchu jednostajnego.
Bardzo ciekawym zjawiskiem, które towarzyszy swobodnemu spadaniu, jest – kojarzony z lota-mi koslota-micznylota-mi – stan nieważkości. Jest to stan, w którym lota-między ciałalota-mi nie istnieją siły wza-jemnego nacisku. W „normalnym” stanie, jeśli siedzimy na krześle, to my naciskamy na krzesło, a krzesło na nas. Gdybyśmy siedzieli na tym krześle w swobodnie spadającej windzie (!), to nie