Síla nemusí být vždy vidět

Zavěste knihu, polštář nebo nějakou krabici na dva provázky svisle dolů. Úkol je snadný – rozkývat tento visící předmět a přitom se ho nedotknout přímo ani zprostředkovaně (to znamená třeba tyčí). A když říkám rozkývat, tak opravdu myslím rozkývat. Pořádně rozkývat a ne jen tak lehce rozhoupat ze strany na stranu. Zdá se vám to nemožné?

Říká se, že nic není nemožné! Zdá se, že v tom případě máme malý problém a nezbývá nám než se ho nějak pokusit řešit. Nebude to až tak obtížné. Stačí probudit pár mozkových buněk a… zapojit váš dech! Řekl bych, že mi moc nevěříte. Možná jste i zakroutili hlavou. Prostým fouknutím rozkývat předmět? Dokonce nebudete muset ani nijak moc silně foukat. Finta je v tom, že budete foukat ve správný okamžik. Takže pojďte na to. Foukněte proti knize (nebo proti tomu, co jste zavěsili). Kniha se trochu pohne ve směru fouknutí a pak se zhoupne zpět. Zhoupnutí knihy nebude nijak výrazně pozorovatelné. Předpokládám, že v tuto chvíli věříte možnosti rozhoupat (nebo snad rozfoukat?) knihu ještě méně. Už jste někdy pozorovali, jak se houpající objekt chová? Zkuste knihu rozhoupat rukou a chvíli ji pozorujte. Nejrychleji se pohybuje při průchodu nejnižším bodem, uprostřed svého zhoupnutí. Pak zpomaluje, dokud nedosáhne nevyššího bodu své dráhy. Tam se na zlomek vteřiny zastaví a pokračuje v pohybu zpět směrem dolů a pak zase na opačnou stranu. A tohoto okamžiku právě musíme využít. Stoupněte si kolmo k houpající se knize a v okamžiku, kdy je v nejvyšším bodě  nejblíže vašemu obličeji a dává se na cestu zpátky, do ní opět foukněte. Počkejte si, až se k vám zase vrátí a foukněte zas a znovu. Opakovaným foukáním, téměř bezvýznamnou silou dokážete knihu rozhoupat překvapivě hodně. Jen je třeba najít ten správný – řekněme kritický – okamžik, kdy nejvýhodněji využijeme sílu fouknutí. To je celé tajemství.  Pokud jste se někdy houpali na houpačce, asi víte, jak to myslím. Podobným způsobem – náklonem horní části těla ve směru houpání a nohou ve směru opačném – dokážete zrychlovat pohyb houpačky.

Houpající se kniha, stejně jako každé houpající se těleso, má přesně určenou dobu, po kterou trvá její zhoupnutí. Tato doba závisí na délce provázku, na kterém je zavěšená a na velikosti síly, kterou ji rozhoupáváme. Jestliže počet fouknutí je stejný jako počet zhoupnutí, je síla vašeho dechu využitá maximálně. Odborně se tomuto jevu říká rezonance a vyskytuje se v rozmanitých situacích. Kmitají třeba mostní konstrukce. Možná jste zaslechli něco o tom, že vojáci přecházející přes most nesmí pochodovat a musí jej přejít normálním krokem, aby nedošlo v důsledku rezonance kroků a kmitání mostu k jeho narušení. Ve skutečnosti je tato skutečnost pouhý mýtus, protože podle mnoha provedených experimentů je počet zhoupnutí mostu za sekundu (tzv. kmitočet) daleko menší než kmitočet vojenského pochodového kroku. Podobný jev můžete velmi silně ucítit, když přebíháte řeku po kmeni stromu nebo dřevěné desce. V tomto případě je už pravděpodobnost zlomení desky velmi velká. Kdysi jsme ve škole nacvičovali přenos zraněného na primitivních nosítkách, vytvořených ze dvou dřevěných tyčí a deky. Při odnášení „zraněného“ se kmitání nosítek dostalo do rezonance s kroky „záchranářů“ a nosítka praskla.

Pokud vás zajímá, čím se dá doba jednoho zhoupnutí tělesa (říká se jí doba kmitu) ovlivnit, připevněte provázek na zárubeň dveří, na provázek zavěste nějaké závaží (třeba přilepte tenisový míček) a rozhoupejte. Změřte dobu deseti kmitů, poté zkraťte provázek na polovinu a opět změřte dobu deseti kmitů. Co jste zjistili? A co když při stejné délce provázku vychýlíte provázek se závažím více? Bude kmitat stejně rychle, rychleji, nebo pomaleji?

Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. Ale hlavně se u pokusů dobře bavte.
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby - i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy!

Pár slov o Newtonovi a jeho zákonech

Už jste slyšeli jméno Newton? Pokud mě paměť neklame, tak všichni ti, co absolvovali první stupeň základní školy, se museli se slavným anglickým fyzikem setkat. Samozřejmě pouze obrazně, protože Isaac Newton se narodil před téměř 370 lety.

Z našich učebnic fyziky známe historku o Newtonovi a jablku, které mu při odpočinku spadlo na hlavu, a díky tomu pak objevil gravitační zákon. Tento průběh události vyvrátil sám Newton ve svých memoárech. Při pozorování úplňku si všiml jablka na stromě a napadlo ho, že síla, díky které se Měsíc udržuje na oběžné dráze kolem Země, by mohla být totožná se silou způsobující pád jablka na Zem.  „Proč by mělo jablko padat vždy kolmo k Zemi? Proč ne šikmo nebo vzhůru? Ale bez výjimky ke středu Země? Důvodem jistě je, že jej Země táhne. Ve hmotě musí být přitažlivá síla“. Tolik Newtonova slova jak je citoval jeho životopisec William Stukeley.

Pravda, představa jablka trefujícího spícího génia přímo do čela je jistě zábavnější. Útěchou nám může být skutečnost, že ona jabloň skutečně existovala. Dokonce známe i o jakou odrůdu se jednalo – byl to druh jabloně známý jako Květ Kentu. Strom byl vyvrácen větrem v roce 1820.

Zeptejte se rodičů, co je napadne, když uslyší jméno Newton? Můžu hádat? Buď je napadne příběh s jablkem, nebo začnou mluvit o setrvačnosti, nebo o akci a reakci. Newton svá pozorování přírodních dějů zformulovat do tří slavných zákonů: o síle, o setrvačnosti a o akci a reakci. Všechny tři nás denně provázejí životem, aniž to tušíme či vnímáme, ale rozhodně nemůžeme nepozorovat. Chcete zvednout těžkou tašku z podlahy? Musíte víc zabrat – zákon síly. Zakopli jste a padáte na zem? Proč se tak stalo vám vysvětlí  zákon setrvačnosti. Stiskněte kamarádovi ruku – stisk cítíte oba dva a právě jste v praxi uplatnili zákon akce a reakce. Newtonovými závěry o silách by nám mohly pomoci vysvětlit i dva dnešní pokusy.

Jednoduchý výtah
Roztočte provázek, na jehož konci je uvázaný předmět. Když provázek pustíte, tak předmět i s provázkem odletí. Předmět má totiž snahu setrvávat v přirozeném pohybu, kterému jste bránili držením provázku. Čím otáčíte rychleji, tím větší silou musíte provázek držet. Přemáháte přitom sílu, které se říká odstředivá. To je stejná síla, která auto vytláčí ven ze zatáčky, díky této síle Země nenarazí do Slunce nebo třeba Měsíc nespadne na Zemi. K sestrojení výtahu budete potřebovat asi 10 – 20 cm dlouhou trubičku (možná když rozmontujete propisku…), provázek dlouhý asi 60 cm a dvě gumy rozdílné hmotnosti. Vložte provázek do trubičky (důležité je aby se provázek v trubičce mohl volně pohybovat). Na opačné konce provázku přivažte gumy (těžší guma je přivázána na tom konci provázku, který visí z trubičky dolů). Podaří se vám těžší gumu zvednout, aniž byste se dotkli provázku? Jednoduchý, ale efektní trik. Držte trubičku svisle a začněte s ní kroužit tak, aby se „horní“ lehčí gumička roztočila. Pokud ji dostatečně roztočíte, velká guma se začne rychle zvedat. Když jsem naposledy předváděl tento pokus, podařilo se mi ze stolu sestřelit skleničky. Tak buďte opatrní.

Roztočený kelímek
Kelímek od jogurtu uvažte na provázek. Do kelímku nalijte trochu vody a kolo roztočte ve svislém směru (tak jak se točí ruské kolo na pouti – nahoru, dolů, nahoru, dolů, …). Pokud si myslíte, že se voda vylije, až bude kelímek dnem vzhůru, možná budete překvapeni. Nebo také ne – to když se vám pokus nepovede. Tahle varianta je při prvních pokusech pravděpodobnější. Proto vše nejdříve vyzkoušejte s kelímkem, do něhož dejte například pár hrášků. Postupně hrášky přidávejte a až když vám vše půjde, experimentujte s vodou. Vůbec nejlepší ale bude, když se budete pokoušet obelstít Newtonovu gravitační sílu někde na volném prostranství.

Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. Ale hlavně se u pokusů dobře bavte.
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby - i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy!