MODUŁ 02
Wzajemność oddziaływań i ich skutki
PPrezentacja dla nauczyciela
W fizyce żadna siła nie występuje samotnie: każde działanie wywołuje natychmiastową, równą i przeciwnie skierowaną reakcję. Dowiedz się, dlaczego lżejsza osoba na rolkach odjeżdża szybciej, jak działa odrzut rakiety w kosmosie oraz kiedy oddziaływanie zmienia ruch, a kiedy kształt ciała.
1.2. Akcja i reakcja
Każde oddziaływanie jest wzajemne. Isaac Newton opisał tę własność jako III zasadę dynamiki:
W przyrodzie nie istnieje samotna siła. Siły zawsze powstają parami: skoro jedno ciało działa na drugie, to drugie równocześnie działa na pierwsze. Taka para to akcja i reakcja. Naciskasz palcem blat biurka — blat w tej samej chwili naciska na palec, dlatego czujesz opór. Ziemia przyciąga jabłko — jabłko przyciąga Ziemię. Obie siły mają tę samą wartość i kierunek, przeciwne zwroty, ale są przyłożone do różnych ciał.
Dlaczego lżejsze ciało odjeżdża szybciej?
Częsty błąd polega na wniosku: „Maja odjechała dalej, więc Kacper musiał pchnąć ją większą siłą”. Tymczasem siły wzajemne są dokładnie równe. O skutku ruchowym decyduje masa, zgodnie z II zasadą dynamiki (a = F / m):
- Maja ma masę 35 kg, więc siła 140 N nadaje jej przyspieszenie
a = 140 N / 35 kg = 4 m/s². - Kacper ma masę 70 kg, więc ta sama siła 140 N nadaje mu przyspieszenie
a = 140 N / 70 kg = 2 m/s².
Dokładnie tak samo jest z jabłkiem i Ziemią: jabłko spada z przyspieszeniem około 10 m/s², a Ziemia przyciągana tą samą siłą przesuwa się o ułamek bilionowej części milimetra. Równa siła nie daje więc równych skutków — decyduje masa ciała, na które ta siła działa.
Siły równoważące się to dwie przeciwne siły przyłożone do tego samego ciała (np. ciągnięcie jednej liny w lewo i w prawo). Natomiast siły wzajemne akcja–reakcja są przyłożone do DWÓCH RÓŻNYCH CIAŁ (siła akcji działa na Maję, a siła reakcji działa na Kacpra). Dlatego tych sił pod żadnym pozorem nie wolno dodawać ani odejmować!
- Eksperyment dwóch siłomierzy: Połącz ze sobą hakami dwa siłomierze sprężynowe. Poproś kolegę, by trzymał swój siłomierz nieruchomo, a sam pociągnij za swój z siłą 5 N. Sprawdź wskazania: oba siłomierze wskażą dokładnie 5 N! Nie da się pociągnąć za jeden siłomierz, by drugi nie zarejestrował identycznej siły w przeciwną stronę.
- Rakieta balonowa na sznurku: Przeciągnij długą nitkę przez środek plastikowej słomki i napnij ją poziomo w pokoju. Nadmuchaj balon, zakręć ustnik palcami (nie wiąż!) i przyklej go taśmą do słomki. Puść ustnik — uchodzące ze świstem powietrze (akcja w tył) wystrzeli słomkę wzdłuż nitki na drugi koniec pokoju (reakcja w przód)!
1.3. Skutki statyczne
Oddziaływanie może zmienić kształt lub wymiary ciała, nie wprawiając go w ruch. Taki skutek nazywamy statycznym, czyli odkształceniem. Ciało bywa ściśnięte, rozciągnięte, zgięte, skręcone albo zgniecione — zmienia się jego forma, a nie prędkość jako całości.
- Ściskanie: gąbka do naczyń kurczy się w dłoni.
- Rozciąganie: sprężyna siłomierza wydłuża się pod wpływem zawieszonego ciężarka.
- Zginanie: deska ugina się pod ciężarem skoczka stojącego na jej końcu.
Nie każdy skutek statyczny jest widoczny. Blat stołu pod kubkiem ugina się mikroskopijnie i właśnie dlatego odpycha kubek ku górze. Podobnie podłoga ugina się pod stopami człowieka, choć gołym okiem tego nie zauważamy.
Poniższe zestawienie porządkuje oba rodzaje skutków i pokazuje, że w wielu zjawiskach występują jednocześnie. Dalsza część sekcji skupia się na odkształceniach.
| Rodzaj skutku | Na czym polega zmiana? | Typowe przykłady z życia |
|---|---|---|
| Skutek dynamiczny | Zmiana stanu ruchu ciała: wprawienie w ruch ciała spoczywającego, przyspieszenie, wyhamowanie, całkowite zatrzymanie lub zmiana kierunku/toru ruchu. |
• Bramkarz piąstkujący lecącą piłkę (zmiana kierunku i prędkości), • Samochód ruszający ze skrzyżowania na zielonym świetle, • Narciarz hamujący pługiem na stoku góry. |
| Skutek statyczny | Zmiana kształtu lub wymiarów ciała (odkształcenie): ściśnięcie, rozciągnięcie, zgięcie, skręcenie, zgniecenie — bez zmiany prędkości środka masy ciała jako całości. |
• Ściskanie gąbki do naczyń w dłoni, • Rozciąganie sprężyny w siłomierzu, • Ugniatanie ciasta na pizzę na stolnicy, • Ugięcie deski pod ciężarem skoczka do wody. |
| Oba skutki jednocześnie | Jednoczesna zmiana ruchu ORAZ zmiana kształtu: zjawisko bardzo częste przy zderzeniach ciał rzeczywistych. |
• Uderzenie rakietą w piłkę tenisową: piłka ulega silnemu spłaszczeniu na strunach (skutek statyczny) i w tym samym ułamku sekundy wystrzeliwuje w przód (skutek dynamiczny), • Wbicie gwoździa młotkiem: gwóźdź przemieszcza się w głąb drewna (ruch) i spłaszcza na główce (odkształcenie). |
Odkształcenia sprężyste i trwałe
Po ustąpieniu siły ciało może odzyskać pierwotny kształt albo pozostać zniekształcone. Pierwszy przypadek to odkształcenie sprężyste, drugi — odkształcenie trwałe (plastyczne).
- Sprężyste: ugięta trampolina prostuje się po skoku, rozciągnięta sprężyna wraca do długości początkowej, ściśnięta gąbka odzyskuje kształt.
- Trwałe: zgnieciona aluminiowa puszka nie wraca do formy, plastelina zachowuje nadany kształt, ugniatane ciasto pozostaje spłaszczone.
Granica między oboma rodzajami zależy od materiału i od wartości siły. Gąbka wytrzymuje duże ugięcia sprężyste, a cienka blaszka po lekkim zgięciu może już zostać trwale wygięta. Dlatego ten sam przedmiot raz odkształca się sprężyście, a innym razem — nieodwracalnie.
Skutek statyczny często towarzyszy dynamicznemu. Uderzona rakietą piłka spłaszcza się na naciągu, a jednocześnie zmienia prędkość i kierunek lotu. Oba skutki zachodzą w tym samym momencie, choć dotyczą różnych właściwości ciała.
Zadaj sobie jedno proste pytanie kontrolne: Czy ciało zmieniło swoją prędkość lub tor lotu, czy zmieniło swoją formę przestrzenną? Jeśli zmieniło się tylko położenie w czasie — skutek jest dynamiczny. Jeśli zmieniły się wymiary lub forma — skutek jest statyczny. Jeśli jedno i drugie — wystąpiły oba skutki naraz.
1.4. Skutki dynamiczne
Gdy siła zmienia stan ruchu ciała, mówimy o skutku dynamicznym. Obejmuje on wprawienie w ruch, przyspieszenie, wyhamowanie, zatrzymanie oraz zmianę kierunku lub toru. Wystarczy zmiana prędkości albo samego kierunku — nie musi zmieniać się kształt ciała.
- Wprawienie w ruch: kopnięcie stojącej piłki.
- Przyspieszenie: samochód ruszający ze skrzyżowania.
- Wyhamowanie i zatrzymanie: narciarz hamujący pługiem na stoku.
- Zmiana kierunku: bramkarz odbijający lecącą piłkę.
Skutek dynamiczny dotyczy ruchu całego ciała, dlatego nie myli się go ze statycznym. Gdy piłka odlatuje po uderzeniu, zmienia się jej prędkość i tor — to skutek dynamiczny. Gdy w tym samym momencie na chwilę się spłaszcza, równocześnie występuje skutek statyczny.
Szczególnym przypadkiem jest odrzut. Rakieta wyrzuca gazy w dół, a gazy popychają rakietę w górę. Armata wystrzeliwuje kulę w przód, a sama cofa się w tył. W obu sytuacjach jedno ciało zyskuje prędkość dzięki temu, że drugie zostało wprawione w ruch w przeciwną stronę.
Odrzut w symulacji
Poniższy symulator pozwala zmienić masy ciał i wartość siły wzajemnej, a następnie obserwować, jak akcja i reakcja nadają ciałom różne prędkości. Wybierz scenariusz, ustaw suwak i uruchom odepchnięcie.
Wybierz zjawisko fizyczne, ustaw masy ciał i siłę odepchnięcia, a następnie kliknij „Uruchom odepchnięcie”. Zobacz w zwolnionym tempie, jak siły akcji i reakcji wprawiają ciała w ruch!
Po zatrzymaniu animacji porównaj prędkości obu ciał. Siła jest za każdym razem taka sama, lecz lżejsze ciało uzyskuje większe przyspieszenie i odjeżdża szybciej. To ten sam związek między siłą, masą i przyspieszeniem, który opisuje II zasada dynamiki.