Örökké mozognak-e a mesterséges bolygók
Óránként 60 kilométertől 40 000 kilométerig - 50 év alatt
A Francia Blériot 1909 nyarán 1909 nyarán Franciaországból Angliába repült
a La Manche csatorna felett. Világfeltűnést keltett ez a hallatlan merészség.
Gépe körülbelűl 60 km óránkénti sebességggel
repült. Nála gyorsabban addig még nem ért el ember a Csatorna egyik partjáról
a másikra. Megnyerte egy angol napilap által kiírt 5.000 dolláros díjat.
Ugyanez a napilap 50 évvel később, 1959-ben Blériot repülésének emlékére egy
sokkal nagyobb díjjal jutalmazott versenyt írt ki. London városának közepéből
Párizs városának közepébe kellett eljutni a lehető legrövidebb idő
alatt. Bármilyen közlekedési eszközt igénybe lehetett venni. A távolság 340
kilométer. A versenyt egy angol repülőstiszt nyerte meg 40 perces idővel. London
közepéből helikopterrel ment a repülőtérre, onnan sugárhajtású géppel jutott
a párizsi repülőtérre majd ismét helikopterre szállva a város közepébe. Az utazás
átlagsebessége 510
km/óra volt.
Könnyű volt neki, a repülőnek! - De egy átlagember mennyi idő alatt tudta volna
megtenni az utat, ha csak a mindenki számára rendelkezésre álló közlekedési
eszközöket használta volna?
Ilyen versenyt is kiírtak. A versenyzők csak mindenki számára hozzáférhető közlekedési
eszközt hasznáhattak: motorkerékpárt, taxit, utasszállító repülőgépet. Egy férfiakból
és nőkből álló csoport nyerte meg a versenyt. A csoport átlagos ideje 60 perc
volt. Valóban nagy teljesítmény egy óra alatt 340 kilométert megtenni közhasználatú
jármüvekkel, ha az utazást a városon belüli forgalommal kell kombinálni
Ennek értékét nem csökkenti az, hogy 1909-től 1959-ig, 50 év alatt, a közforgalmú
repülőgépek sebessége
az óránkénti 60 kilométerről 800 - 1000 kilométerre nőtt. - Aligha kell újabb
50 évre várni, míg a közhasználatú járművekkel 1 óra alatt Budapest vagy Moszkva
belvárosából New York városának forgalmi középpontjába juthatunk, hiszen a rakéták,
amelyek rövidesen közlekedési eszközzé lehetnek, ma már 30.000-40.000 kilométer
óránkénti sebességgel repülnek.
(Ez aligha valósul meg. Eddig csaknem 50 év telt el és az "átlagos"
utasszállítógépek ma - 2004-ben - sem képesek többre. A forgalomból nemrég kivont
egyetlen szuperszonikus
utasszállító, a Concorde, körülbelül 1.600 km-es óránkénti sebességgel
- a hangnál valamivel
nagyobb sebességgel
repült.)
Sebességek a közlekedésben.
Az óránként megtett út
Minek köszönhető a sebesség rohamos fejlődése?
Mint minden egyéb haladás: a tiszta és alkalmazott tudományok a fizika
és a kémia együttműködésének
és a technika fejlődésének. A közönség csak az elért eredményről: a sebességről
vesz tudomást.
Mi megnézzük az is ami mögötte van. Milyen felfedezéseket, törvényszerűségeket
használnak fel a mérnökök, technikusok az egyre nagyobb sebességek
eléréséhez.
Honnan tudjuk, hogy egy rakétának
40.300 km/óra sebesség
kell ahhoz, hogy elhagyja a Földet?
Miért mozoghat a rakéta
örökké a világtérben akkor is, jóllehet régen kiégett már a töltése és semmi
sem hajtja? - Miért keringenek ezermillió évek óta a bolygók
a Nap körül, amikor semmi
sem mozgatja őket? Ezekre és sok más kérdésre világos választ fogunk kapni,
ha a mindenki által ismert tapasztalatokból indulunk ki.
Ott áll az udvaron egy kocsi: önmagától nem mozdul meg, ha nyugalmi helyzetéből
mozgásba akarjuk hozni úgy, hogy egyre sebesebben haladjon, húzni kell, erőt
kell kifejteni. Ez az erő lehet ember, ló vagy traktor húzóereje. A rakétát
pedig a belőle kiáramló gázok tolóereje mozgatja.
Az ember egyre nagyobb erőt tud alkalmazni a testek mozgatására, ezért érnek
el a testek egyre nagyobb sebességet.
Példánkban adva volt a kocsi és az ember, aki húzza. Itt az erő
- a kocsi és az ember egymásra hatása. A rakétában adva van a rakéta és a kiáramló
gáz. Tehát a rakétát mozgató erő
a rakéta és a kiömlő gáz egymásra hatása.
Az erő tehát két test
egymásra hatása.
Ebből következik, hogy az erő
önmagában elképzelhetetlen. Ahhoz, hogy erőről
beszéhessünk legalább két test szükséges, amelyek egymásra hatnak. Ebből
következik az is, hogy egyetlen test esetén nem lehet erőről
beszélni. Igaz, hogy beszélünk "erős" emberrő, "erős" traktorról.
Csakhogy annak az erős embernek az ereje csak akkor nyilvánul meg mint erő,
ha egy másik testre hat, például ha egy nehéz zsákot felemel.
Az a kocsi az udvaron, az a búzászsák a fal mellett önmagától nem mozdul meg.
Mindennapi tapasztalataink bizonyítják, hogy egy test önmagában tehetelen, egy
másik testnek kell a nyugalmi helyzetéből mozgásba hoznia. Ha azt akarjuk, hogy
a kocsi (vagy bármely más test) egyre sebesebben haladjon, akkor annak a másik
testnek állandóan hatnia kell rá.
A rakétakísérletekből tudjuk, hogy a Szovjetúnió nagyobb, súlyosabb rakétának
tudta megadni a szükséges sebességet,
mint az amerikaiak, mert a Szovjetúnió nagyobb erőt tudott alkalmazni a mozgatásukra.
Ebből a példából azonnal világos, hogy a testek mozgatásakor fontos tényező
a test súlya. Nem mindegy, hogy egy autóbuszt vagy egy kis játékautót kell-e
mozgásba hozni.
Állapodjunk meg mármost abban, hogy ha valmely tetnek nagyobb a súlya arról
a testről azt mondjuk, hogy nagyobb a tömege.
Tehát az autóbusz tömege nagyobb, mint a játékautóé. A testek mozgásakor fontos
a mozgó test tömegének
ismerete. Az erő a mozgó
test tömegét mozgatja.
Ha egy nagy tömegű
autóbuszba egy kis motorkerékpár motorját építenénk be elég siralmas lenne a
sebessége.
Látható tehát, hogy a mozgó test sebessége
függ a mozgó test tömegétől
és a mozgató erőtől.
A tömeg, az
erő és az elért
sebesség a mozgó
test legfőbb jellemzői.
Például, ha tudjuk, hogy egy 100.000 kg (kb. 1.000.000 N) súlyú
(100.000 kg tömegű)
vasúti mozdonyt egy 1.000 lóerős
gőzgép mozgat, és
a mozdony 60 kilométer óránkénti sebességgel
fut, akkor világos képet kaptunk a mozdonyról.
Mi történik ha nincs mozgatóerő?
Erről már volt szó. Az udvaron álló kocsi, vagy a zsák magától nem jöhet mozgásba - mert tehetlen. Ez olyan természetes, és olyan egyszerű igazság, hogy az is tudja, aki még sohasem tanult fizikát.
De mi történik
akkor, ha a test már mozgásban van és akkor szűnik meg az erő. Mi történik,
ha nem lesz erő, amely
tovább mozgassa, avagy mozgását akadályozza?
Bár milyen furcsán hangzik, de ilyenkor a test egyenletesen mozog tovább - örökkön
örökké (ábra).
Az egyszer útjára indított test örökké mozog a nyert sebességgel, ha mozgását semmiféle erő nem akadályozza
Lássunk erre néhány példát:
Amíg a kezem erejével forgatom a kerékpár kerekét
egyre sebesebben pörög. De ha elveszem a kezemet, megszüntetem a kereket mozgató
erőt, akkor is tovább pörög a kerék, sőt még percek múlva is forog, pedig semmi
sem hajtja.
A sima jégen elgurított golyó hosszú utat tesz meg, pedig senki sem mozgatja
már.
A rakétával kilőtt mesterséges holdak évekig keringhetnek a Föld körül, pedig
már ezeket sem mozgatja semmiféle erő. - Akkor miért mozognak?
Mert a testek önmagukban tehetetlenek! Nem tudnak változtatni a mozgásukon,
mozgási állapotukon. Ha nyugalomban voltak, nyugalomban is maradnak, ha mozgásban
voltak, mozgásukat örökké megtartják, hacsak más testek (erők) nem hatnak rájuk,
hogy mozgásukat megváltoztassák.
A testek tehetetlensége
tehát azt jelenti, hogy önmaguktól nem jöhetnek mozgásba, illetve önmaguktól
nem változtathatják meg egyenes irányú mozgásukat.
Ha az űrrakéta 41.000 kilométer óránkénti sebességgel örökre elhagyja a Földet,
és a világtérben más testek (más erők) nem hatnak rá, akkor örökké 41.000 kilométer
óránkénti sebességgel
egyenletesen mozogna egyenes irányban.
Ha nagy sebességet akarunk elérni, akkor egy ideig erősen kell taposnunk a
kerékpár pedálját. De ha a kívánt sebességet elértük, akkor nyugodtan abbahagyhatjuk
a hajtást. Az előbb elmondottak szerint a mozgásban levő kerékpár a rajta ülővel
együtt megtartja sebességét, és most már minden további munka nélkül elvisz
bennünket Szegedről Budapestre vagy bármilyen messzire, hacsak valamilyen erő
nem akadályozza mozgását.
Vagy pedig ha a megállóhelyről elindult az autóbusz, a vezető nyugodtan leállíthatná
a motort, a kocsi az elért sebességgel örökké szaladna tovább, hacsak valami
erő (más test) nem akadályozná mozgását. - Ugyanígy robogna a vonat, ha már
egyszer elindult, akár ezer kilométerekre is, anélkül hogy tüzelni kellene a
mozdonyban.
Az utasokkal tele rakétát pedig csak egyszerűen el kell majd indítani Budapest
felett, és magától száll akár a déli sarkra is, ha olyan magasan repül, hogy
mozgását semmi sem akadályozza.
Az utazásnak ez az utóbbi módja alighanem nemsokára elkövetkezik. De mai közlekedési
eszközeinket még nem tudjuk kivonni a mozgásukat akadályozó erő alól. Az autóbuszokat,
a mozdonyokat, a repülőgépeket más testek akadályozzák, például a levegő a közegellenállásával,
a sín, az útfelület pedig a súrlódásával.
Mit jelent az, hogy egy test egyenletesen mozog?
Ha egy gépkocsi például minden percben pontosan 1 km utat tesz meg, akkor a sebessége a mozgás közben nem változik, hanem állandó marad: a gépkocsi egyenletesen mozog (ábra).
Egy test akkor mozog egyenletesen, egyenlő idők alatt egyenlő utakat tesz meg.
Egyenletesen mozoghat a csiga is, meg az autóbusz is. Mi a különbség mozgásuk
között? Az, hogy a csiga sebessége
kisebb, mint az autóbuszé.
Mi a sebesség?
Hogyan mérhetnénk meg az autóbusz sebességét?
Megfigyelhetnénk, hogy mondjuk 2 km (2.000) m utat 4 perc alatt tett meg. Akkor
1 perc alatt 2.000 : 4 = 500 m. Ez úgy mondjuk, hogy az autóbusz sebessége
percenként 500 m, és így írjuk: 500 m/perc.
Tehát a sebességet
úgy számolhatjuk ki, hogy az utat elosztjuk a megtételéhez szükséges idővel.
sebesség = út/idő
Autóbuszunk 1 perc alatt 500 m utat tett meg. Mennyit tett volna meg egy óra
alatt? 1 óra = 60 perc. Ezért 1 óra alatt 500m . 60 = 30.000m
= 30 km utat tett volna meg. Vagyis a sebessége
megadható úgy is, hogy 30 km/óra.
A fegyvergolyó sebességét
azonban nevetséges km/óra értékben megadni, sőt az is furcsa lenne, ha azt mondanánk,
hogy percenként mekkora utat tesz meg. Jobban el tudjuk képzelni, ha azt mondjuk
a katonafegyfer golyójának sebessége pl. másodpercenként
800 méter, röviden: 800 m/s.
A közepes vagy átlagos sebesség. Nagyobb távolságon át a gépkocsi, a
vonat hol gyorsabban, hol lassabban halad, sőt néha meg is áll. Ezért ha az
egész útra nézve számítjuk ki a sebességüket,
akkor nem a valódi sebesség
értéket tudjuk meg, hanem csak a teljes érvényes közepes vagy átlagos sebességet.
A mindennapi életben szereplő sebességek ilyen átlagos sebességek
Néhány jellemző sebesség érték:
óránként |
másodpercenként |
||
Gyalogos |
4-6 km |
300 m |
|
Kerékpáros |
10-15 km |
Lövedék |
300-1.000 m |
Személyvonat |
60-80 km |
A Föld forgása miatt az egyenlítőn |
463 m |
Gépkocsi országúton |
80-120 km |
3.600 m |
|
Fecske, vihar |
70-180 km |
30 km |
|
Utaszállító repűlőgép |
300-900 km |
300.000 km |
|
Űrrakéta |
40.000 km |
Összefoglalás.
A testek mozgásának vizsgálatakor tekintettel kell lenni test tömegére, az hatóerőre és az elért sebességre.
Az erő két vagy több test egymásrahatása. Ennek eredménye a test mozgásának megváltozása. Az erő a mozgásváltozás oka. Ha nem hat erő, akkor a test mozgásállapotában nem történik változás. Ha a test nyugalomban volt, nyugalomban is marad, ha mozgásban volt, akkor egyenes vonalú egyenletes mozgásban marad.
Ennek a tételnek a neve: a tehetetlenség elve. Galilei (1564-1642) olasz fizikus fedezte fel.