Tajemnicza siła - siła odśrodkowa
Siła odśrodkowa jest zauważalna w układzie odniesienia, który porusza się po torze zakrzywionym. Przejawy działania siły odśrodkowej mogą być w niektórych przypadkach bardzo niezwykłe i zaskakujące.
Jedno z potwierdzających to doświadczeń polega na zamocowaniu papierowego krążka na osi, wprawianej w ruch z prędkością kilkunastu tysięcy obrotów na minutę. Jeżeli do brzegu krążka zostanie przyłożona prostopadle drewniana listewka, wówczas można ją tym krążkiem przeciąć, tak jakby krążek był piłą tarczową!
Dzieje się to z dwóch powodów. Po pierwsze, brzeg papierowego krążka jest cienki i zawiera małe nierówności. To jednak nie wystarcza do przecięcia listewki, ponieważ papier jest wiotki. Musi zaistnieć drugi powód. Dzięki bardzo dużej sile odśrodkowej, działającej w kierunku radialnym i zwróconej na zewnątrz, krążek staje się sztywny, umożliwiając przecięcie listewki. Podobny efekt występuje w przypadku wykaszarek i kos do cięcia trawy z głowicą żyłkową. Nieruchoma żyłka jest wiotka i nie nadaje się do cięcia nawet cienkiej trawy. Dopiero przy prędkości ok. 11 tys. obr./min staje się sztywna i tnie trawę jak brzytwa.
Opisane powyżej doświadczenie jest dość niebezpieczne, dlatego warto zaproponować wykonanie innego eksperymentu, w którym siła odśrodkowa przejawia się w jeszcze bardziej zaskakujący sposób.
"Wyskokowy" łańcuszek
Słowo "wyskokowy" kojarzy się na ogół z pewnym rodzajem napojów o odpowiedniej zawartości alkoholu etylowego. Nasze doświadczenie nie będzie miało jednak z tym dobrze znanym związkiem chemicznym nic wspólnego. Do jego przeprowadzenia potrzebne będą tylko dwa przedmioty. Są nimi tzw. łańcuszek kulkowy oraz kieliszek.
Łańcuszek kulkowy jest używany m.in. do poruszania rolet okiennych i zasłon. Składa się z metalowych lub plastikowych kulek z otworem, przez który przechodzi mocna nić, albo żyłka (rys. 1). Można go kupić w hipermarkecie z artykułami technicznymi lub w sklepie ze sprzętem gospodarstwa domowego. Ceny plastikowych łańcuszków zaczynają się już od kilku złotych. Łańcuszki metalowe są nieco droższe. Potrzeby nam będzie egzemplarz o długości ok. 1,5 m lub większej i możliwie małej odległości między kulkami. Mała odległość zapewni płynny ruch łańcuszka.
Kieliszek znajdzie się zapewne w każdym domu. Zamiast szklanego może być plastikowy, używany do dawkowania lekarstw, np. syropów. Kieliszek można też zastąpić bardzo małą zlewką, o pojemności 20-50 ml.
Przeprowadzenie doświadczenia też jest niezwykle proste. Łańcuszek należy włożyć do kieliszka w taki sposób, żeby sąsiednie jego odcinki znajdowały się jeden bezpośrednio nad drugim - część wewnątrz kieliszka nie może być splątana ani poprzeplatana. Kolejne odcinki muszą leżeć swobodnie jeden nad drugim (rys. 2). Następnie trzeba chwycić palcami za górny koniec łańcuszka i przenieść go ponad brzegiem kieliszka na zewnątrz kilka cm w dół. Innymi słowy, należy wyjąć kilka cm górnego kawałka łańcuszka z kieliszka i pozwolić mu zwisać (fot. 1). Wyciągnięty kawałek łańcuszka zacznie opadać i pociągnie za sobą kolejny kawałek, leżący na samej górze w kieliszku. Następnie dłuższy już kawałek łańcuszka, zwisający na zewnątrz kieliszka, wyciągnie kolejny górny kawałek itd.
Początkowo nie ma w tym nic dziwnego, bo przecież łańcuch lub taśma, częściowo zwisające z brzegu stołu, też się zsuwają, jeżeli tylko zwisająca część jest dostatecznie długa, albo tarcie odpowiednio małe. Ten przypadek jest znany z podręczników mechaniki jako przykład ruchu ciała pod wpływem działania zmiennej siły. Gdy jednak prędkość opadania łańcuszka odpowiednio wzrośnie, wówczas pojawia się zadziwiający efekt. Polega on na tym, że fragment łańcuszka przechodzący nad brzegiem kieliszka unosi się, i to nawet kilka cm (fot. 2).
Dlaczego wyskakuje?
Spróbujmy wyjaśnić, przynajmniej jakościowo, zaobserwowany efekt.
Na zwisający początkowo poza kieliszkiem odcinek łańcuszka działa oczywiście jego ciężar. Pod wpływem ciężaru zwisający odcinek zaczyna poruszać się w dół. Podczas tego ruchu z kieliszka wyciągany jest kolejny fragment łańcuszka, leżący na samej górze. Skutkiem tego długość zwisającego na zewnątrz odcinka wzrasta i zwiększa się też jego ciężar, który stanowi siłę napędową dla kolejnych fragmentów łańcuszka, znajdujących się w kieliszku. Jeżeli łańcuszek w kieliszku nie jest poprzeplatany, to można założyć, że w danym momencie porusza się tylko jego fragment leżący na wierzchu. Długość tego fragmentu jest ograniczona przez wewnętrzne rozmiary kieliszka, a jego masa pozostaje w przybliżeniu stała. Jeżeli siła napędowa wzrasta, to rośnie też przyspieszenie poruszającego się łańcuszka i jego prędkość.
Zauważmy dalej, że fragment łańcuszka o masie m, przechodzący nad górnym brzegiem kieliszka porusza się po łuku o małym promieniu r. W tej sytuacji na ten fragment działa siła odśrodkowa F o znacznej wartości, skierowana ku górze. Ponieważ prędkość łańcuszka wzrasta, to zwiększa się też siła odśrodkowa wprost proporcjonalnie do kwadratu tej prędkości (rys. 3). W pewnym momencie siła odśrodkowa przekroczy ciężar fragmentu łańcuszka, poruszającego się nad brzegiem kieliszka W, czyli
i wówczas fragment ten ulegnie oderwaniu od brzegu kieliszka, wyskakując ku górze. Od tego momentu obserwuje się efektowny ruch fragmentu łańcuszka w powietrzu po łuku o promieniu R.
Dobre i złe skutki
Jak wspomniano na wstępie, siła odśrodkowa występuje w każdym przypadku, gdy ciało porusza się po torze zakrzywionym. Ponieważ prawa fizyki mają charakter uniwersalny, to skutki działania siły odśrodkowej możemy obserwować zarówno w zaciszu naszego mieszkania, jak i w dużym zakładzie przemysłowym, w środkach komunikacji czy wręcz w skali kosmicznej.
W każdym mieszkaniu wyposażonym w pralkę automatyczną siła odśrodkowa po zakończeniu prania umożliwia usunięcie wody z mokrych tkanin podczas ich odwirowania. Również w mleczarniach, cukrowniach i zakładach wzbogacania uranu są stosowane wirówki. Dzięki sile odśrodkowej samolot akrobacyjny może wykonać pionową pętlę.
Siła odśrodkowa może jednak spowodować wypadnięcie pojazdu na łuku jezdni i zderzenie z drzewem lub pojazdem nadjeżdżającym z przeciwka. Dzieje się to wtedy, gdy nawierzchnia jest śliska, kąt pochylenia drogi zbyt mały, a przy tym kierujący rozwija nadmierną prędkość. Nadmierna ilość obrotów bywa też przyczyną rozerwania tarcz szlifierskich, wirników silników, albo turbin - w wyniku ich tzw. rozbiegania.
W skali kosmicznej siła odśrodkowa zapobiega spadnięciu przyciąganych siłą grawitacji planet na Słońce. Również sztuczne satelity dzięki tej sile nie spadają na Ziemię, przynajmniej tak długo, dopóki wskutek tarcia o resztki atmosfery lub kolizji z innymi obiektami kosmicznymi nie wytracą swojej prędkości. W skali Wszechświata siła odśrodkowa ma wpływ na kształt ramion galaktyk i przyczyniła się do wykrycia ciemnej materii.
Stanisław Bednarek
