Od zawsze spadamy

Od zawsze spadamy

Ok, tak naprawdę nie od zawsze, tylko od kilku miliardów lat. I pisząc my mam rzecz jasna na myśli całą Ziemię. Gdzie spadamy? Na Słońce. Tak, wasze życie właśnie przewróciło się do góry nogami. Wbrew temu co sądzicie, nie zamieszkujecie skalnego odłamka pędzącego przez kosmiczną próżnię nie wiadomo dokąd. Zamieszkujecie skalny odłamek, który uporczywie, od miliardów lat, spada na swoją rodzimą gwiazdę.

 
newton.jpg

Pojawia się pytanie: skoro spada, czemu nie spadnie? I jak może spadać, skoro (podobno) Ziemia krąży wokół Słońca? Cóż, paradoks ten dobrze pokazuje, że nawet intuicje dotyczące względnie prostych zjawisk fizycznych mogą być błędne. Właśnie dlatego uważamy Newtona za geniusza, bo jako pierwszy powiązał dwa pozornie niezwiązane zjawiska: spadanie ciał na ziemi i ruch niebios.

 

Przy czym ja nie mam zamiaru udawać tutaj szczególnego geniusza. Fizyka nigdy nie leżała w centrum moich zainteresowań, więc dzień, gdym pojął rzeczy, o których teraz piszę, przydarzył mi się dość późno i była to jedna z tych niezwykłych chwil, gdy dowiedziałem się czegoś niezmiernie zaskakującego, choć zarazem prostego i – po fakcie – niemal oczywistego.

 

Wskazówka pierwsza: jak pozbyć się wpływu grawitacji?

Odpowiedź jest prosta: wzlecieć rakietą na orbitę i tam krążyć sobie wokół Ziemi w warunkach nieważkości (ściśle rzecz biorąc jesteśmy wtedy w warunkach mikrograwitacji, bo jednak ludzkie ciała przyciągają się z promem, rakietą lub stacją kosmiczną grawitacyjnie jak każde inne ciała):

 
 

Ale to nie jedyny sposób. Możecie osiągnąć taki sam stan wsiadając do samolotu ze zredukowaną grawitacją. Samolot ze zredukowaną grawitacją brzmi jak jakaś iście kosmiczna technologia, ale w rzeczywistości jego sekret polega na tym, że wznosi się on i opada paraboliczną trajektorią  (co zresztą jest źródłem jego innej, bardziej nieformalnej nazwy – wymiotna kometa). W samolocie, na mniej niż pół minuty, pojawia się stan mikrograwitacji niczym w stacji kosmicznej krążącej po orbicie, dzięki temu, że samolot przez pewien czas znajduje się w stanie swobodnego spadania:

 
 
 
 

Zarówno krążenie po orbicie w kosmosie, jak i swobodne spadanie, daje taki sam efekt fizyczny – doświadczenie stanu nieważkości.

Wskazówka druga: gra w baseball

Graliście w baseball? Ja też nie, choć w szkole grałem w tak zwanego palanta. Gra w baseball, czy jakakolwiek inna gra polegająca na rzucaniu piłki, pozwala na wyrobienie pewnej intuicji: im mocniej czymś rzucamy, tym dalej uleci.

 
rzut.png
ruch.png

Ruch rzuconej piłki (na rysunku obok zaznaczony na niebiesko) można rozłożyć na dwa ruchy: w kierunku poziomym i pionowym. Jeśli pominiemy wpływ oporu powietrza, ruch w poziomie odbywa się ze stałą prędkością (zaznaczony obok na zielono).

Ten ruch piłki nadawany jest jej przez rzucającego bejsbolistę.

Ruch w pionie odbywa się z przyśpieszeniem – takim samym jakiego doświadczają swobodnie spadające obiekty (zaznaczony na fioletowo). To przyspieszenie nadaje piłce Ziemia, przyciągając ją grawitacyjnie.

Tak właśnie można patrzeć na ruch rzuconej piłki: porusza się ona jednostajnie w kierunku, w którym została rzucona, jednocześnie doświadczając swobodnego spadania w kierunku "do ziemi", wywołanego grawitacją.

 

Wskazówka trzecia: jazda pociągiem

Zakładam, że nie raz jeździliście pociągiem. Albo tramwajem. Albo samochodem. Tak naprawdę nie ważne czym.

Czy pamiętacie, kiedy w ogóle odczuwacie ruch w trakcie takiej jazdy? I nie chodzi mi o drgania, wstrząsy czy hałas, tylko łatwo przez nasz zmysł równowagi wykrywany ruch jako taki?

Ruch odczuwamy zmysłem równowagi tylko jeśli ma charakter przyśpieszania lub spowalniania. Gdy pociąg (albo samochód, albo cokolwiek innego) jedzie jednostajnie, ruch nie jest odczuwalny. Czemu? Gdyż w przypadku ruchu jednostajnego wszystkie części poruszającego się obiektu ruszają się z tą samą prędkością. W tym te, które w naszych uszach wyczuwają równowagę i przyśpieszenia.

Podobnie jest w przypadku ruchu przyśpieszonego w wyniku działania grawitacji: ona jednakowo "ciągnie" wszystkie części poruszającego się obiektu, dlatego nasze zmysły nie wykrywają tego ruchu. Ruch przyśpieszony w inny sposób (na przykład ciągnięty wagon) jest wykrywany, bo inne siły działają na poszczególne obiekty (w tym komórki zmysłowe w błędniku).

Podsumowując: rzucona piłka porusza się w sposób, który można rozłożyć na dwa ruchy, jednostajny w poziomie i przyśpieszony, mający charakter swobodnego spadania, w pionie. Jak łatwo się domyślić oznacza to, że piłka "nie czuje" swojego ruchu. Gdyby zamknąć nas w wagonie pociągu, w którym zasłonięto okna, i wstrzelić ten wagon z wielkiej katapulty, odczuwalibyśmy ruch tylko w momencie przyśpieszania. Po opuszczeniu katapulty we wnętrzu wagonu zapanowałaby mikrograwitacja jak w stacji kosmicznej (albo wymiotnej komecie).

Czy nie przypomina wam to sytuacji w jakiej jesteśmy krążąc wraz z całą Ziemią wokół Słońca? Powinno. Już tylko jeden krok dzieli nas od zrozumienia, że ów ruch jest tym samym co ruch rzuconej piłki, która po przeleceniu iluś metrów, spada na ziemię.

 

Rzucanie piłką dalej, niż zwykle

W jaki sposób przejść od zrozumiałego ruchu rzuconej piłki, która spada na ziemię, do potencjalnie wiecznego ruchu planety wokół gwiazdy? To naprawdę proste – wyobraźcie sobie, że ktoś rzuca wyjątkowo mocno, tak, że piłka leci wyjątkowo daleko (znowu, dla uproszczenia, ignorujemy opór powietrza).

 

Zerknijcie na rysunek rzucającego bejsbolisty, który umieściłem wyżej. Gdyby chcieć zaznaczyć na nim trajektorię piłki rzuconej tak mocno, by zdolna była przelecieć setki lub tysiące kilometrów przed upadkiem, musielibyśmy wprowadzić w nim jedną istotną modyfikację – zaznaczyć krzywiznę Ziemi. Tak jak to zrobiłem na rysunku obok (właściwie to skopiowałem i zmodyfikowałem go z jakiegoś zakurzonego dzieła Newtona o skomplikowanym łacińskim tytule Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica).

 

Rzucanie obiektami z odpowiednio dużą prędkością sprawi, że będą leciały coraz dalej. Jeśli prędkość będzie naprawdę duża, mogą polecieć tak daleko, że nim z powrotem spadną na powierzchnię, ta im ucieknie ze względu na krzywiznę. Na czerwono na rysunku wyżej zaznaczono taką sytuację – gdy obiekt leci tak daleko, że nim spadnie, powierzchnia Ziemi ucieka mu ze względu na jej mniej więcej kulisty kształt.

Foto: NASA, użyte i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Foto: NASA, użyte i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Tak więc gdy wystrzeliwujemy rakietę robimy właśnie to – nadajemy jej taką prędkość, by spadając na Ziemię zawsze ją chybiała. Ludzie w rakiecie nie odczuwają przyśpieszenia, gdyż ich ruch, tak jak ruch spadającej piłki, składa się się ze swobodnego spadania na Ziemię oraz jednostajnego ruchu równoległego do jej powierzchni (w małej skali daje to kształt parabolicznej trajektorii upadku, w dużej okrągłej lub eliptycznej orbity). Czują się w niej tak, jak my byśmy się czuli w zamkniętym wagonie wystrzelonym z katapulty. Różnica jest taka, że wagon w którymś momencie spadłby na powierzchnię, rakieta zaś leci tak szybko, że nim zdąży spaść, powierzchnia ucieknie jej ze względu na krzywiznę.

Analogicznie, my, wraz z resztą Ziemi, nieustannie spadamy na Słońce, ale jednocześnie poruszamy się równolegle do jego powierzchni. Efekt? Cały czas, na nasze szczęście, chybiamy własną gwiazdę.

Gdyby jednak zatrzymać ruch Ziemi, runęłaby ona na Słońce spadając nań podobnie jak jabłko spada z drzewa na ziemię. Trwałoby to trochę ponad 60 dni i obfitowało w dziwne i nie do końca przyjemne zdarzenia.

Mój blog ma fanpage.

Tchakat Moriori

Tchakat Moriori

10 lat "World Of Warcraft"

10 lat "World Of Warcraft"