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.

 

Mi az erő?

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.

 

Csak az erő fontos?

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 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.

 

Az örökké mozgó kerékpáros

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.

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

Hang

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

Földrengéshullám

3.600 m

Fecske, vihar
70-180 km

A Föld Napkörüli pályán

30 km

Utaszállító repűlőgép

300-900 km

A fény terjedési sebessége

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.


Felhasznált irodalom