Síla a pohyb

Newtonovy tři pohybové zákony

Na základě dlouhodobého studia pohybu byly postupně definovány základní principy pohybu a  změn v  pohybu, které také nazýváme pohybovými zákony. Formuloval je Isaac Newton a jsou tři. Kromě těchto základních tří pohybových zákonů známe i další, které se vážou na specifické případy pohybů, jako je pohyb rychlostí blížící se rychlosti světla a také pohyb v mikrosvětě, na úrovni atomů. Z toho vyplývá, že v těchto specifických situacích přestávají Newtonovy pohybové zákony platit.

První pohybový zákon hovoří o tom, že pohybující se objekt setrvává v pohybu ve stejném směru a  stejnou rychlostí, dokud na něj nepůsobí nějaká síla.To znamená, že pokud kopneme do míče, ten bude letět konstantní rychlostí nekonečně daleko, dokud na něj nebude působit jiná síla. I přesto, že na první pohled není tento zákon v souladu s realitou, platí to absolutně. Po kopnutí do míče působí na pohybující se míč síly, které způsobují jeho zpomalování a následně i pád. Jde například o gravitační sílu Země, která táhne míč směrem dolů (tato síla působí na míč i pokud leží v klidu), ale i tření o vzduch, ve kterém se míč pohybuje.

Druhý pohybový zákon hovoří o tom, že čím větší hmotnost objekt má, tím větší sílu bude třeba vynaložit na to, aby se pohyb objektu zrychlil(F = m · a). Mimo jiné to znamená, že čím silněji kopnete do míče, tím dále poletí. Pokud tedy působíme stejnou silou na dva objekty s různou hmotností, více zrychlí objekt, který má větší hmotnost.

Třetí pohybový zákon hovoří o tom, že každá akce vyvolává stejně velkou, ale opačně působící reakci. To znamená, že v každém okamžiku existují dvě síly vzájemně na sebe působící. V příkladu s míčem to znamená, že když vynaložíme sílu na kopnutí do míče, tak i míč působí stejně velkou silou na naši nohu, jen opačným směrem. Cítíme to zejména tehdy, když do míče kopneme prsty. Síla, kterou míč působí na naši nohu může být tak velká (závisí na tom, jak silně do míče kopneme), že způsobí zlomení prstu. Viditelněji se třetí pohybový zákon projevuje například při střílení z děla (ale i z jiných střelných zbraní). Výbuchem je dodána síla dělové kouli, která je kanónem v určitém směru vystřelená. Avšak stejně velkou silou působí i dělová koule na kanón. Kanón se pohne opačným směrem než vystřelená dělová koule, ne však tak rychle jako samotná koule a  to proto, že kanón je mnohem těžší a na jeho zrychlení je proto nutné vynaložit větší sílu, než na zrychlení mnohem lehčí dělové koule.

Jednoduchý a složený pohyb

Existují dva pohledy na výsledný, pozorovaný pohyb objektů. První pohled řeší pohyb jako přímočaré přemisťování, přičemž rychlost přemisťování může být konstantní, ale vlivem sil působících ve směru pohybu nebo v přesně opačném směru se může objekt pohybovat pomaleji nebo rychleji. Složitějším je pohyb, při kterém objekt mění směr svého pohybu. Například rotující objekty nebo míč hozený šikmým vrhem. I při takových pohybech musí na objekt působit síla, avšak ta nepůsobí ve směru pohybu objektu (případně proti směru pohybu), ale pod určitým úhlem.

Aktivní a uskladněná energie

Na vysvětlení toho, proč se věci kolem nás dějí tak, jak se dějí, používáme pojem energie. Známe různé formy energie, například sluneční, atomovou, elektrickou, chemickou a podobně. Pokud působíme silou na objekt, měníme jeho energii.Tato energie je použita buď na práci objektu nebo na jeho zrychlení. Energie, na rozdíl od pohybu (vektorová veličina), nemá směr. Takovým veličinám říkáme skalární veličiny. V souvislosti se silami a  pohybem mluvíme zejména o  kinetické (pohybové) energii, potenciální energii a  energii strun (energie elastických materiálů).Energii nelze cítit dotykem nebo jinak vnímat, je to jen něco, prostřednictvím čeho si vysvětlujeme, jak se věci kolem nás dějí. Energie se měří v joulech.

S  pohybem a  jeho vysvětlením souvisí přeměna potenciální energie na kinetickou. Pokud se předmět pohybuje, říkáme, že má kinetickou energii. Potenciální energie je „uskladněna“ v objektech a její velikost závisí na samotném objektu, ale také na tom, kde a jak je umístěn. Klasickým příkladem potenciální energie je snaha zvednout cihlu. Když se cihla nachází na zemi, má určité množství potenciální energie. Když cihlu zvedáme, vyvíjíme na cihlu určitou sílu, vynakládáme práci. Tato vynaložená práce přidala cihle k její potenciální energii další energii. Čím výše ji vyneseme, tím více energie jí přidáme. Když cihlu z  výšky pustíme, cihla může svou energií působit na jiné objekty, například může něco rozbít. To znamená, že cihla, kterou jsme vynesli do výšky, a tam ji držíme, má větší potenciální energii než cihla, která leží na zemi.

Práce

Práce ve fyzikálním smyslu slova se děje tehdy, když síla, kterou působíme na objekty způsobuje jejich pohyb. Množství vykonané práce tak získáme, když vynásobíme vynaloženou sílu vzdáleností, o jakou se objekt pohnul (W = F · d). Práce se tedy měří v newtonmetrech, co představuje totéž jako jouly. To znamená, že jednotka práce a energie je stejná. Síla a  práce nejsou totéž.Například, pokud držíme v  natažené ruce cihlu, postupně se nám bude zdát cihla těžší a těžší. Na udržení cihly vynakládáme určitou sílu, avšak, protože se cihla nehýbe, neprovádíme žádnou práci. Když se nám ruce unaví a cihlu položíme a znovu zvedneme, provádíme práci. Menší práci provádíme když cihlu pokládáme a větší, když ji zvedáme. I přesto, že dráha, kterou cihla projde při pokládání a zvedání je tatáž, při zvedání musíme použít větší sílu (působit proti působení gravitační síly), a  proto je i výsledná práce větší při zvedání než při pokládání cihly. Tím, že pojem práce se používá také v běžné hovorové řeči, je důležité odlišit fyzikální veličinu od běžně používaného termínu práce.

Tření

Tření je síla, která zpomaluje pohyb klouzajícího se objektu. Tření se vyskytuje všude tam, kde se dostávají do kontaktu dva objekty. Třecí síla působí vždy přesně opačným směrem než je směr pohybu klouzání objektu. Pokud chceme zastavit auto na červený signál na semaforu, auto zastavuje v důsledku tření brzd (brzdových destiček, kotoučů) o pohybující se kola. Jestliže běžíme dolů kopcem po asfaltové cestě a chceme zastavit, tak se nám to podaří díky tření bot o asfalt. Pokud je však asfalt mokrý, případně je na něm tenká řídká vrstvička bláta, zastavit se nám tak dobře nepodaří. Podobně je to i s pohybem auta na vozovce. Na suché vozovce působí vysoké tření, na mokré je tření menší, a proto má auto delší brzdnou dráhu. Pokud se kola nachází v tenké vrstvě vody, může se stát, že ztrácejí kontakt s  asfaltem (tření se ztrácí, protože kolo není v  kontaktu s  vozovkou, a  tak nelze hovořit o tření) a brzdění je neúčinné - tehdy mluvíme o aquaplaningu.

Měření třecí síly

Tření (třecí sílu) je možné měřit. Její velikost závisí na materiálech, které se po sobě kloužou. Například beton na betonu má vysoký koeficient tření. Koeficient tření vyjadřuje to, jak snadno se objekt pohybuje ve srovnání s jiným objektem po určitém povrchu. Pokud je koeficient vysoký, znamená to, že mezi materiály je vysoké tření. Zatímco beton má vysoký koeficient tření, například teflon má nízký koeficient tření u všech materiálů. Ještě nižší koeficient tření mají naše klouby.

Při tření vzniká teplo. Množství vzniklého tepla závisí na velikosti třecí síly. To znamená, že více tepla vzniká při tření materiálů s vysokým koeficientem tření. Někdy tento jev umíme využít (například dotykem dlaní o sebe si je dokážeme zahřát), ale většinou způsobuje tření nežádoucí vznik tepla. Například různé komplexní stroje, jakými je motor auta v sobě obsahují mnoho součástí, které když pracují, tak se o sebe třou. Toto tření (kromě součástí jako jsou brzdy) se v motorech snažíme co nejvíce snížit. Kromě toho, že přímým třením kovových součástí o sebe se samotné součástky mohou opotřebovávat, vzniká třením i velké množství tepla, které může způsobit lokální roztažení součástek, které se pak do sebe mohou zaseknout. Na snižování tření proto používáme různé postupy. Pokud je tření velmi velké, kromě tepla je možné pozorovat jiskření (například při používání kotoučové pily, viz obrázek, nebo při náhlém brzdění vlaku na kolejích).

Odpor vzduchu

Třecí síla vzniká pouze při tření pevných látek. Jenže pohybem v plynech a kapalinách (v  tekutinách) se samotný pohyb objektu zpomaluje v  důsledku odporu těchto látek vůči pohybujícímu se objektu. Pokud je tou tekutinou, ve které se objekt pohybuje vzduch, mluvíme o odporu vzduchu. Odpor vzduchu způsobuje například to, že asteroid při vstupu do zemské atmosféry způsobuje na styku meteoritu s atmosférou stlačení molekul vzduchu, protože se pohybuje velkou rychlostí. Toto stlačení způsobí zahřívání vzduchu a také samotného meteoritu. Pokud je meteorit malý, tak vlivem tohoto tepla může v atmosféře i shořet.

Odpor vzduchu využíváme například při konstrukci padáků.Naopak, odpor vzduchu potřebujeme snížit, pokud chceme, aby se ve vzduchu objekty pohybovaly co nejrychleji, s co nejmenší vynakládanou silou na zrychlení – například v případě konstrukce letadel, ale i aut a lodí. Při konstrukci těchto zařízení se využívají tzv. principy aerodynamiky - pohybu v tekutinách(kapalinách a plynech). Například nové modely karoserií aut jsou testovány ve větrném tunelu, kde se měří odpor vzduchu, který vzniká při pohybu auta proti proudu vzduchu. I  proto mají auta právě takový tvar jaký mají. Na obrázku jsou uvedeny příklady hodnot odporu vzduchu u  různých těles pohybujících se ve vzduchu. Z  uvedeného je zřejmé i  to, proč má kapka vody právě takový tvar, jaký má. Protože voda je kapalná a může měnit svůj tvar, při pádu z výšky mění tvar na základě toho, jak působí odpor vzduchu na kapku a výsledný tvar představuje ten, který proniká vzduchem nejsnáze (odpor vzduchu je nejmenší).

Kyvadlo

Kyvadlo je tvořeno závažím a provázkem, drátem, řetězem nebo tyčí, která je uchycena v pevném bodě a umožňuje závaží kmitat z jedné strany na druhou. Když se závaží nachází přesně pod pevným bodem, říkáme, že je v rovnovážné poloze, nehýbe se. Pokud silou způsobíme, že závaží kyvadla se pohne do určité strany, kyvadlo bude kmitat tam a zpět v principu donekonečna. Reálné kyvadlo postupně zpomaluje, a to zejména kvůli tomu, že neexistuje pevný bod bez tření a taktéž se kyvadlo pohybuje v prostředí vzduchu (tekutiny), který způsobuje odpor (působí proti pohybu kyvadla) a postupné zpomalování kyvadla. Po rozkývání kyvadla se závaží dostává do určité maximální polohy. Úhel mezi provázkem v rovnovážné a maximální poloze nazýváme amplitudou kmitu. Čas, který potřebuje kyvadlo na provedení jednoho celého kmitu nazýváme doba kmitu.Doba kmitu závisí zejména na velikosti gravitační síly, která na závaží působí. Z toho důvodu totéž kyvadlo má menší periodu kmitu (kmitá rychleji) na zemských pólech, neboť na kyvadlo působí o něco větší gravitační síla než na rovníku.

Foucaultovo kyvadlo

První kyvadla se používala k  měření časových úseků a  také na zjišťování blížícího se zemětřesení dávno před definováním teorie kyvadel známým vědcem Galileem Galileim. Právě jemu se oficiálně připisuje objev kyvadla. První se pokusil o vysvětlení toho, jak a proč kyvadla kmitají. Právě způsob, jakým se kyvadlo hýbe se považuje za jeden z prvních důkazů toho, že Země rotuje kolem vlastní osy. Aby se rotace Země na pohybu kyvadla projevila, potřebujeme zkonstruovat velmi velké kyvadlo, které je zavěšené na pevném bodě s maximálně sníženým třením. Takovému zařízení říkáme i Foucaultovo kyvadlo, podle francouzského fyzika Léona Foucaulta, který poprvé kyvadlo zkonstruoval(v  Paříži v roce 1851), aby jím dokázal rotaci Země kolem vlastní osy.

Pokud zhoupneme kyvadlo podél čáry na zemi, každým jedním kmitem se po velmi malých kouscích kyvadlo vychýlí z původního směru. Respektive, není to kyvadlo, které se vychýlí, ale Země, která rotuje. Aby byl tento pohyb kyvadlem zvýrazněn, původně kreslilo kyvadlo čáry do písku nasypaného pod kyvadlem. Písek byl později nahrazen destičkami, které jsou rozestaveny pod kyvadlem v kruhu. Kdyby u Země nedocházelo k rotaci, kyvadlo by shodilo jen dvě oproti stojící destičky. Jelikož se ale Země otáčí kolem vlastní osy, kyvadlo postupně shazuje další a další destičky rozmístěné v kruhu. Čas, za který shodí kyvadlo všechny destičky nazýváme kyvadlovým dnem. Tento časový úsek je různý na různých částech Země.

Aby se rotace Země na Foucaultovém kyvadle skutečně projevila, klíčové je to, jak bude kyvadlo spuštěno. Amplituda by měla být maximálně 20 stupňů, spuštění by mělo být bez působení různých bočních sil. Na spuštění se například používá propálení provázku, který drží závaží kyvadla vychýlené. Napodobeniny Foucaultova kyvadla se nacházejí v mnoha přírodovědných muzeích. Jelikož na kyvadla působí odpor vzduchu, postupně by zpomalovaly, proto se do konstrukcí kyvadel montují různé mechanismy, které zajišťují ustálené kmitání kyvadla. Například se pohyb kyvadla zrychluje elektromagnetickým působením na závaží, a to tak, aby se přesně vyrovnalo zpomalování v důsledku odporu vzduchu. Jednodušším způsobem, který je také poměrně často využíván je opětovné spuštění kyvadla.