Božićna fizika

I u vrijeme Božića fizičari misle na fiziku. Naime tada se sije pšenica ali taj narodni običaj može se iskoristiti su za priču o simuliranju gravitacije u svemirskim stanicama, ubrzanim sustavima i o centrifugalnoj sili. Budući da škole nemaju na raspolaganju svemirsku stanicu može se jednostavnim pokusom pokazati kako centripetalna sila može zamijeniti težinu. Naime, pšenica "ne zna" fiziku, ali "osjeća" težinu. Stoga nam način njenog rasta može objektivno razjasniti pojam težine i svih gore spomenutih sila.

Evo kako:   

Pšenicu ćemo posijati u plitki tanjur ispunjen slojem zemlje. Osigurati potrebnu toplinu pod stolnom svjetiljkom. Čim se počnu nazirati prve klice tanjur postavimo na jednostavan uređaj sličan starom gramofonu koji će pšenicu neprekidno vrtjeti zadanim brojem okretaja. Iz dana u dan pratit ćemo klijanje i rast i o svemu izrađiti foto-dokumentaciju.

Evo i radnih pretpostavki:

Posijemo li pšenicu u posudu koja se za vrijeme klijanja i rasta pšenice neprekidno okreće, vlati će rasti usmjerene prema smjeru u kojem se biljka najlakše odupire savijanju. Taj smjer mora imati veze sa smjerom težine. Težina je zapravo sila kojom biljka pritišće podlogu, a iskustvo nam kaže da biljke rastu nasuprot toj sili.  Uređaj se okreće približno s 90 okr/min. Pretpostavka je da vrtnja mijenja težinu, a time i smjer rasta biljke? Bilo bi zanimljivo ispitati može li biljka uopće rasti u bestežinskom stanju.

Smatramo da pšenica raste u smjeru vektorskog zbroja sila reakcije tla (suprotan od mg) i centripetalne sile mω²r. Ove sile izvana, nehomogeno, "guraju" zrno koje je inače kao cjelina, homogeno izloženo sili teži.

 

Prikazujemo fotografije snimljene nekoliko prvih dana rasta.

Simuliranje gravitacije u svemirskoj stanici

Odnos između centripetalne i centrifugalne sile zbunjuje većinu ljudi pa se znaju javljati ovakva pitanja: "Ako centrifugalna sila u stvarnosti ne postoji, tj. ako je ona fiktivna, zašto nam je onda ona potrebna da bismo objasnili umjetnu gravitaciju?"

Što je u stvari težina?

Razlika između sustava koji miruje ili se giba jednoliko po pravcu i sustava koji mijenja brzinu je u tome što brzinu stalnog iznosa i smjera ne možemo osjetiti i ne možemo je razlikovati od stanja mirovanja, ali ubrzanja možemo osjetiti. Kao putnici u automobilu možemo čak i zatvorenih očiju reći kada vozilo ubrzava, usporava ili skreće u zavoju. Međutim mi zapravo ne osjećamo ubrzanje nego rezultantnu silu koja na nas djeluje. Zbog toga je moguća i situacija u kojoj se ubrzavamo a da toga nismo svjesni, odnosno da to ne osjećamo. To je slučaj slobodnog pada. Skočimo li sa stolice, tijekom pada ne osjećamo ubrzanje, iako se ubrzavamo dok padamo. U slobodnom padu osjećamo bestežinsko stanje, kao da lebdimo. Nemamo osjećaj djelovanja sile ubrzanja kao kad se ubrzavamo u autu. Prema tome, kada ste bačeni u slobodan let, sila teža vas privlači prema Zemlji iznosom mg. Ona se očituje u ubrzavanju prema tlu ubrzanjem g, ali pri tome ne osjećate svoju težinu – osjećate se kao da lebdite!

Ako sjedimo na stolcu ili stojimo na podu, stolac ili pod guraju nas prema gore silom reakcije, po iznosu jednakom sili teže mg, tako da je ukupna sila na nas jednaka nuli. Naše ubrzanje je također jednako nuli. Tada osjećamo težinu. Kada bi slobodno padali zajedno sa stolicom, stolica nas više ne bi gurala prema gore pa bi jedina sila koja djeluje na nas bila sila teža prema dolje. Tada bi smo se ubrzavali prema dolje i ne bi osjećali težinu. Moramo dakle zaključiti, ako na nas djeluje samo sila teža mg, nalazimo se u bestežinskom stanju. Osjećaj težine nam daje reakcija podloge djelujući silom prema gore, a ne sila teža koja nas vuče prema dolje. Stoga, da bismo oponašali utjecaj gravitacije u svemirskoj stanici nije nam potrebna privlačna sila slična sili teži prema dolje. Dovoljna nam je samo sila podloge, pravog iznosa, usmjerena prema gore! Takvu silu omogućuje vrtnja rotirajuće svemirske stanice.

Razmotrimo prvo slučaj ne-rotirajuće svemirske stanice negdje u svemiru. Ako je stanica daleko u međuzvjezdanom prostoru, tada je gravitacijsko djelovanje nebeskih tijela zanemarivo - sila teža je jednaka nuli, pa su zbog toga astronauti u bestežinskom stanju. To je sasvim razumljivo. Ali primjetimo da su astronauti u bestežinskom stanju i u svemirskoj stanici koja se nalazi u zemljinoj orbiti u blizini Zemlje, gdje je gravitacijska sila, odnosno sila teža jaka. Kako je to moguće? Razmislimo!

Sva tijela u zemljinoj orbiti nalaze se u stanju slobodnog pada. Pad izbjegavaju zbog velike brzine rotacije i zakrivljenosti Zemlje. Da je kojim slučajem Zemlja ravna ploča ne bi uspjeli izbjeći pad! Kada astronauti izađu iz svoje kapsule u svemirsku šetnju, oni su zapravo u slobodnom padu i ubrzavaju se prema Zemlji, međutim oni osjećaju (a tako nam i izgledaju) da lebde, a ne da padaju.

Budući da su zemljinoj orbiti i astronaut i svemirska stanica u slobodnom padu, u stacionarnoj svemirskoj stanici astronaut i svi predmeti u svemirskoj stanici su bestežinskom stanju. U rotirajućoj stanici centripetalna sila oponaša reakciju podloge kakvom tlo djeluje na čovjeka na Zemlji dajući mu težinu. U rotirajućoj svemirskoj stanici astronaut se giba po kružnici. Da bi se astronaut unutar svemirske stanice gibao po kružnici mora na njega djelovati centripetalna sila. Tu silu stvara stjenka rotirajuće svemirske stanice. Uočite da centripetalna sila oponaša reakciju podloge kakvom tlo djeluje na čovjeka na Zemlji. Zbog toga će centripetalna sila stvarati kod astronauta osjećaj težine! Sve što trebamo učiniti jest da brzinu vrtnje svemirske stanice prilagodimo tako da centripetalna sila kojom stanica djeluje na astronauta bude jednaka težini mg astronauta na Zemlji. On će tada osjećati svoju normalnu težinu iako nije na Zemlji!

Iako je osjećaj težine isti postoji velika razlika u ravnoteži sila i načinu gibanja s obzirom na situaciju na Zemlji. Na Zemlji je rezultantna sila na čovjeka, time i ubrzanje,  jednaka nuli. Baš ta činjenica mu daje osjećaj težine. U rotirajućoj svemirskoj stanici je sasvim suprotno. Rezultantna sila je različita od nule. Čovjek se neprestalno ubrzava prema središtu vrtnje, a činjenica da da ima masu  i da se zbog toga opire promjeni brzine (inercija) daje mu osjećaj težine.

Priredio: Hrvoje Mesić