0298 W jakich warunkach występuje stan nieważkości?
Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela
Czy to nie ciekawe?
Co to jest nieważkość (ang. weightlessness)? Znacząca część ludzi odpowie, że brak grawitacji – wcale NIE! Na przykład, astronauta znajdujący się w przestrzeni kosmicznej cały czas znajduje się w polu grawitacyjnym Ziemi, a mimo to może być w stanie nieważkości. Coś przypominającego stan nieważkości można odczuć przez chwilę w windzie, która szybko zaczyna zjeżdżać w dół. Winda „ucieka” nam spod nóg, przez co przestajemy na nią naciskać i czujemy się lżejsi, tak jakbyśmy się unieśli. Co za tym idzie, stan nieważkości należy powiązać z brakiem odczucia własnego ciężaru. Kiedy nie odczuwamy swojego ciężaru? W jakich warunkach występuje stan nieważkości? Czy musimy zostać astronautą, aby odczuć stan nieważkości? O tym dowiesz się w tym e‑materiale.
[Źródło: NASA]
Twoje cele
zrozumiesz, czym jest stan nieważkości,
poznasz warunki występowania stanu nieważkości,
przeanalizujesz sytuacje, w których może wystąpić stan nieważkości.
0298 W jakich warunkach występuje stan nieważkości?
Przeczytaj
Warto przeczytać
W fizyce odróżnia się dwa rodzaje układu odniesienia: inercjalny i nieinercjalny. Aby zrozumieć dokładnie, czym jest nieważkość, należy określić różnice pomiędzy tymi układami i siły, jakie mogą działać na ciało w wybranym układzie. Ruch ciała jest pojęciem względnym. To, czy ciało znajduje się w ruchu, zależy jedynie od tego, co przyjmiemy za nieruchome, czyli od wyboru układu odniesienia.
Zazwyczaj, za nieruchome, przyjmujemy otoczenie wokół.
Układ inercjalny to układ odniesienia, w którym, jeśli na ciało nie działają żadne siły lub działające siły równoważą się, pozostaje ono w tym układzie w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym.
Mówimy, że I zasada dynamiki jest postulatem istnienia układu inercjalnego. Każdy układ, który porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem dowolnego układu inercjalnego jest też układem inercjalnym.
Układ nieinercjalny to układ odniesienia, który porusza się ruchem zmiennym względem dowolnego układu inercjalnego. W takim układzie występują siły pozorne, zwane siłami bezwładności. Jest to odczucie siły, która w rzeczywistości nie ma źródła. Bardzo łatwo zauważyć to, gdy hamujemy jadąc autem. Siła hamulców działa na samochód, ale na nas ta siła nie działa, więc poruszamy się nadal do przodu. Mówimy, że w nieinercjalnym układzie odniesienia, jakim jest samochód, zadziałała siła bezwładności, która wychyliła nas do przodu. Jeżeli nie mielibyśmy pasów bezpieczeństwa to moglibyśmy wypaść przez szybę z prędkością, jaką miał samochód przed rozpoczęciem hamowania.
W układzie inercjalnym to samo zjawisko wyglądała inaczej - po prostu, na kierowcę w samochodzie nie działa siła hamowania, pojazd zaś zwalnia.
Nieważkość to stan, w którym ciało „nic nie waży” lub „nie posiada ciężaru”. Definicja zależy jednak od układu odniesienia.
W układzie inercjalnym jest to stan, w którym na ciało działa wyłącznie siła ciężkości. Ciało nie ma żadnych więzów. Nie stoi na podłożu, więc nie naciska na nie, czyli nie ma siły reakcji podłoża, która równoważyłaby siłę ciężkości.
W układzie nieinercjalnym, który porusza się z przyspieszeniem wywołanym działaniem siły ciężkości, działa siła bezwładności. To właśnie ona równoważy siłę ciężkości. W efekcie, w tym układzie na ciało nie działa żadna siła.
Stan nieważkości kojarzy się głównie z kosmosem. Astronauci znajdujący się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS ang. International Space Station), przez większość czasu znajdują się w stanie
nieważkości. Można podziwiać ich zdjęcia takie, jak na Rys. 1. i Rys. 2.
Rys. 1. Zdjęcia ze stacji kosmicznej ISS. Zwykłe czynności życia codziennego w stanie nieważkości są bardzo trudne. [Źródło:
NASA].
Rys. 2. Zdjęcia ze stacji kosmicznej ISS. Montaż urządzeń pomiarowych i naprawy są czasami łatwiejsze niż na Ziemi, ponieważ urządzenia znajdują się również w stanie nieważkości więc astronauci nie odczuwają ich ciężaru podczas montażu. [Źródło:
NASA].
Stacja ta znajduje się nieco ponad 400 km nad powierzchnią Ziemi. Oznacza to, że cały czas jest w polu grawitacyjnym Ziemi. Jeśli układ odniesienia zwiążemy z Ziemią, będzie to układ inercjalny. W nim, stacja cały czas jest poddana działaniu wyłącznie siły grawitacji. Na stacji panuje stan nieważkości.
W układzie odniesienia związanym ze stacją, a więc takim, który porusza się po torze zakrzywionym z przyspieszeniem dośrodkowym, na każdy przedmiot działa siła bezwładności nazywana siłą
odśrodkową. Astronauci i przedmioty znajduje się w statku są w stanie nieważkości, ponieważ działające na nich siły ciężkości równoważone są przez pozorne siły odśrodkowe. Astronauta będący w środku takiej stacji nie odczuwa żadnej działającej na niego siły.
Jednak, czy będąc na Ziemi, jesteśmy w stanie, chociaż przez chwilę, odczuć stan nieważkości?
Wykonując proste doświadczenie w domu, możemy stworzyć „mini” stan nieważkości dla sprężyny lub pęku kluczy.
Weźmy długą sprężynkę‑zabawkę zaprezentowaną na zdjęciu (Rys. 3.).
Rys. 3. Plas kowa sprężynka, która może posłużyć do zademonstrowania stanu nieważkości.
Trzymając sprężynkę za jeden koniec zauważymy, że rozciąga się ona pod wpływem grawitacji. Druga z działających sił pochodzi od naszej ręki. Obie siły równoważą się. Jeśli jednak upuścimy sprężynę, możemy zauważyć, że w czasie lotu sprężyna jest nierozciągnięta. Nic na nią nie naciska, sama też nie wywiera na nic nacisku, więc podczas lotu jest w stanie nieważkości. Podobnie dzieje się z pękiem kluczy.
Łatwo zauważyć, że inaczej są one ułożone, gdy trzymamy ręką za kółko a inaczej, gdy spadają swobodnie na ziemię. W trakcie lotu klucze również znajdują się w stanie nieważkości.
Rys. 4. Przykład stanu nieważkości na Ziemi.
Stan nieważkości na Ziemi zawsze odczuwany jest podczas spadku swobodnego. Rozpatrując tę sytuację względem inercjalnego układu odniesienia, na ciało nie działają wtedy żadne siły, poza siłą grawitacji.
W układzie nieinercjalnym, na ciało działa siła bezwładności równoważąca siłę grawitacji - suma wszystkich działających na nie sił jest więc równa zero.
Słowniczek
Siła ciężkości (pot. ciężar)
(ang.: force of gravity, weight) siła działająca na każde ciało znajdujące się w polu grawitacyjnym, wyrażona wzorem , gdzie to masa ciała, a to przyspieszenie grawitacyjne. Ciężar ciała na każdej planecie jest inny, ponieważ charakteryzują się one inną wartością .
Film samouczek
W jakich warunkach występuje stan nieważkości?
Film samouczek prezentuje przykład sytuacji, w której na Ziemi mamy do czynienia ze stanem
nieważkości. Obserwujemy ruch człowieka w poruszającej się w dół windzie. Analizujemy siły działające w inercjalnym i nieinercjalnym układzie odniesienia. Jeśli winda spada swobodnie, będąc w środku, odczuwamy stan nieważkości.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Polecenie 1
W jaki sposób poruszałby się człowiek w windzie, jeśli winda przemieszczałaby się w dół z przyspieszeniem większym, niż przyspieszenie grawitacyjne?
Polecenie 2
Jak obliczyć siłę wartość siły nacisku człowieka na podłogę windy, gdy porusza się ona do góry z opóźnieniem?
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Jaki kształt ma kropla wody w stanie nieważkości?
Ćwiczenie 7
Astronauci w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) często przeprowadzają ciekawe doświadczenia związane ze stanem nieważkości. Zazwyczaj nagrywają je i publikują w Internecie na ogólnodostępnych stronach. Jak, Twoim zdaniem, przebiega rozpuszczanie tabletki musującej w wodzie na ISS?
Ćwiczenie 8
Czy można płakać nad rozlanym mlekiem będąc w stanie nieważkości?
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko autora: Monika Sitek
Przedmiot: fizyka
Temat zajęć: W jakich warunkach występuje stan nieważkości?
Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
III. Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń:
3) opisuje stan nieważkości i stan przeciążenia oraz podaje warunki i przykłady jego występowania.
Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
IV. Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń:
8) opisuje stan nieważkości i stan przeciążenia oraz podaje warunki i przykłady jego występowania.
Kształtowane kompetencje kluczowe:
Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele operacyjne:
Uczeń:
1. wyjaśnia czym jest stan nieważkości;
2. opisuje warunki w jakich panuje stan nieważkości;
3. podaje przykłady stanu nieważkości.
Strategie nauczania: flliped‑classroom / kształcenie wyprzedzające Metody nauczania decyzyjna, pokaz multimedialny
Formy zajęć: praca indywidualna, praca w grupach Środki dydaktyczne: filmy SF dostępne w Internecie
Materiały pomocnicze:
e‑materiały: „Co nazywamy stanem nieważkości?”, „W jakich
warunkach występuje stan nieważkości?”, „Czy znasz przykłady stanu nieważkości?”
nieważkości?”
PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
Lekcję należy przeprowadzić po zrozumieniu przez uczniów zagadnień poruszonych w e‑materiale
„Co nazywamy stanem nieważkości?”. Warto wykorzystać też e‑materiał „Czy znasz przykłady stanu nieważkości?”.
Przed lekcją, uczniowie samodzielnie zapoznają się ze wszystkimi trzema e‑materiałami.
Nauczyciel sprawdza, czy uczniowie rozumieją, co to jest stan nieważkości. W przypadku problemów, wyświetla etapami film samouczek i wyjaśnia zawarte w nim zagadnienia, angażując tych uczniów, którzy je zrozumieli.
Nauczyciel stawia pytania (na przykład wybierając je spośród ćwiczeń zawartych w części „Sprawdź się”) a uczniowie odpowiadają na nie.
Faza realizacyjna:
Nauczyciel wyświetla część wybranego filmu SF (na przykład „Stan nieważkości” z 1994 roku, w reżyserii Macieja Drygasa) lub czyta urywek powieści SF (na przykład Juliusza Verne’a „Wokół Księżyca”). Uczniowie wybierają, które fragmenty są zgodne z prawami fizyki, a które im przeczą, koncentrując się na zagadnieniach związanych ze stanem nieważkości. Wyjaśniając ewentualne wątpliwości, można posłużyć się dostępnymi w Internecie filmami nagrywanymi przez astronautów, pokazującymi jak jeść, spać, myć włosy i wykonywać inne czynności w stanie nieważkości. Jeśli czas pozwoli, warto wyświetlić także film o tym, jak zachowuje się woda w stanie nieważkości.
Faza podsumowująca:
Uczniowie debatują, jak w warunkach domowych przygotować kapsułę prezentującą stan
nieważkości. Nauczyciel czuwa merytorycznie nad przebiegiem dyskusji. Następnie uczniowie dzielą się na grupy do wykonania zadania domowego i opracowują wstępny plan działania.
Praca domowa:
Przygotować kapsułę stanu nieważkości i zarejestrować to zjawisko. Przeanalizować zalety i niedoskonałości przeprowadzonego eksperymentu.
Wyniki zostaną zaprezentowane pozostałym uczniom oraz koleżankom i kolegom z młodszych klas.
Wskazówki metodyczne opisujące różne
zastosowania filmu samouczka
Film samouczek może zostać wykorzystany do przygotowania się uczniów przed lekcją, do wyjaśnienia zagadnień w trakcie zajęć oraz przy powtarzaniu materiału nauczania.
