Prędkość - czytanki

Rakiety w przestrzeni kosmicznej poruszają się średnio kilka, kilkanaście razy szybciej niż pociski. Np. pierwsza prędkość kosmiczna to ok. 7,8 km/s, a druga prędkość kosmiczna wynosi ponad 11,2 km/s.

Co porusza się najszybciej?

- oczywiście światło (z taką samą prędkością poruszają się też fale radiowe i impulsy prądowe). W próżni światło w ciągu sekundy przebywa drogę wynoszącą 300 tys. kilometrów. Jest to ponad 3/4 odległości od Ziemi do Księżyca! Całą szerokość Polski promień świetlny "przeskoczy" w ciągu ok. 1/300s! - nawet nie da się w tym czasie mrugnąć. Na drugą półkulę Ziemi impuls w światłowodzie dostanie się po ok. 0,07s - w tym samym czasie dźwięk przebędzie tylko ok. 23m.

Prędkość światła jest tak ogromna, że kiedyś myślano, światło rozchodzi się ono natychmiast. Dzisiaj fakt skończonej wartości tej prędkości można łatwo zaobserwować wtedy, gdy mamy do czynienia z odległościami kosmicznymi. Np. pewne opóźnienia w czasie dotarcia sygnałów radiowych (a przecież fale radiowe to jakby światło, tylko o nieco wynaturzonych parametrach...) można zauważyć podczas połączeń satelitarnych. Efekt wynika z faktu, że satelity geostacjonarne krążą w odległości ponad 36 tys. km od Ziemi, co "tam i z powrotem" daje już opóźnienie dające się zaobserwować.

A jaka jest prędkość człowieka?

Rześki spacerek to ruch z prędkością ok. 4km/h, czyli trochę ponad 1m/s. Dobry piechur może iść nawet dwa razy szybciej, a sprinterzy pokonują 100, 200 metrowe odcinki ze średnią prędkością 10m/s, czyli 36km/h. Oznacza to, że na niektórych terenach zabudowanych, gdzie występują ograniczenia prędkości do 30km/h, sprinterzy muszą się ograniczać... Największe prędkości na nogach osiągają narciarze zjazdowcy - rekord prędkości to ok. 200km/h. Rowerzyści osiągają co najwyżej połowę tej prędkości. Typowa prędkość amatorskiej wycieczki rowerowej to kilkanaście kilometrów na godzinę (warto to wziąć pod uwagę przy planowaniu tras wycieczkowych).

Samochody i ich prędkości

Typowy samochód może poruszać się z prędkością ponad 100km/h (na autostradzie w Polsce można legalnie jechać do 130km/h, na zwykłej drodze 90km/h, a w terenie zabudowanym tylko 60km/h). Pojazdy przystosowane do bicia rekordów prędkości osiągają barierę dźwięku wynoszącą ok. 1200 km/h. Co prawda trudno nazwać je jeszcze "samochodami" - są to raczej rakiety na kołach. Samochody wyścigowe Formuła 1 ścigają się z prędkościami przekraczającymi 300km/h. Taką samą prędkość osiągają też najszybsze pociągi - np. francuski TGV.

Prędkości w kosmosie

Najszybszymi ciałami niebieskimi w Układzie Słonecznym są komety. Jednak te największe prędkości osiągają one na krótki okres - gdy zbliżają się do Słońca. Później znowu oddalają się od niego na wielkie odległości, a w orbitowaniu obowiązuje zasada: im dalej od centrum tym wolniejszy ruch.

Prędkości w mikroświecie

Np. cząsteczki składające się na powietrze średnio poruszają się z prędkościami przekraczającymi barierę dźwięku - ich prędkości to kilkaset metrów na sekundę. Jeszcze żwawiej porusza się gaz zawarty w świetlówkach, bo tam jest dodatkowo rozpędzany przez pole elektryczne.

Jednak zupełnie fantastyczne prędkości można spotkać we wnętrzu...
...telewizora (lub monitora komputerowego) - elektrony w lampie kineskopowej poruszają się z prędkościami kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę! Są to już prędkości "korespondujące" z prędkością światła i zapewne długo żadna z rakiet nie będzie w stanie ścigać się z tymi supermałymi cząstkami. Prędkości elektronów są tak wielkie, ponieważ elektron jest tak mały i lekki, że byle impuls rozpędza go do niebotycznych wartości prędkości.

Prędkość jest względna

Jednak rzeczywistość jest nieco bardziej skomplikowana - przecież Ziemia sama jest w ciągłym ruchu wirowym wykonując jeden obrót przez 24 godziny.. Dlatego wszystkie obiekty znajdujące się na równiku w ciągu doby zataczają koło o promieniu równym promieniowi Ziemi! Oznacza to, że poruszają się one z prędkością ok. 465m/s (więcej niż prędkość dźwięku w powietrzu!). Na innych szerokościach geograficznych ruch ten jest wolniejszy, ale i tak przekracza zazwyczaj prędkości "drogowe". Mógłby kto sądzić, że przynajmniej środek Ziemi jest w spoczynku - nic bardziej błędnego - przecież wiadomo, że Ziemia pędzi przez Kosmos okrążając Słońce. Prędkość tego ruchu to ok. 30 km/s!

Względem czego należy podawać prędkości ciał? - czyli o układach odniesienia

W przypadku zjawisk rozgrywających się na Ziemi najczęściej odnosimy wszystko do jej powierzchni. Dlatego mówimy że z powierzchnią Ziemi związany jest UKŁAD ODNIESIENIA. Jednak, w zależności od potrzeb, układ odniesienia można wybierać sobie w zasadzie dowolnie - a więc możemy związać go że Słońcem, środkiem Galaktyki, czy czubkiem własnego nosa...

W zależności od rodzaju sytuacji można wybrać układy odniesienia w sposób bardziej lub mniej wygodny. Np. przed Kopernikiem uważano, że najlepiej jest zjawiska astronomiczne w Układzie Słonecznym rozpatrywać w układzie odniesienia związanym z Ziemią. Efektem były bardzo złożone obliczenia i idąca za tym łatwość pomyłki. Kopernik zauważył, że znacznie łatwiej i lepiej jest opisywać ruchy planet przyjmując że nieruchome jest Słońce (inaczej mówiąc, Kopernik ze Słońcem związał układ odniesienia).

Przy wybieraniu układu odniesienia kierować się musimy wygodą i sensem. Do opisu ruchu muchy latającej w przedziale jadącego pociągu, najlepiej jest układ odniesienia związać z wagonem. Tutaj z kolei rozpatrywanie jej ruchu w układzie związanym ze Słońcem dało by ogromną złożoność opisu.

Z faktu, że układ odniesienia możemy wybrać dowolnie wynika, że:
nie ma układów "prawdziwych" i "nieprawdziwych",
- są tylko bardziej lub mniej wygodne do opisu zjawiska. Z fizycznego punktu widzenia bez sensu jest więc upieranie się, że prędkość samochodu wynosi np. "obiektywnie" 100 km/h.

Jeden i ten sam obiekt w różnych układach odniesienia ma najczęściej różne prędkości. Np. Ziemia w układzie geocentrycznym (związanym z Ziemią) ma prędkość równą zero, natomiast w układzie heliocentrycznym (w układzie związanym że Słońcem) porusza się z prędkością 30 km/s. Mówimy, że prędkość jest względna, lub, że prędkość zależy od układu odniesienia.

Prędkości ciał mierzone w jednych układach odniesienia można przeliczać na prędkości w innych układach odniesienia. Np. jeżeli pociąg porusza się z prędkością 50 km/h, a w nim korytarzem idzie pasażer z prędkością 5 km/h, zgodnie z kierunkiem ruchu pociągu, to w układzie odniesienia związanym z ziemią prędkość pasażera wynosi 55 km/h.

I na zakończenie jeszcze jeden fakt: okazuje się, że nie tylko prędkość zmienia się przy zmianie układu odniesienia. Albert Einstein w swojej szczególnej teorii względności wykazał, że przy obserwowaniu zjawisk zachodzących z dużymi prędkościami pojawia się efekt wydłużenia czasu, skrócenia długości, a nawet zwiększania masy ciała. Wygląda to tak, że gdy obserwujemy szybko poruszający się obiekt (np. rakietę), to dla nas czasu w rakiecie jest inny, niż czas mierzony w bezpośrednio w tym obiekcie. Obserwując bardzo dokładne, rozpędzone do wielkiej prędkości zegary stwierdzimy, że wszystkie się spóźniają!

A ktoś lecący z tymi zegarami stwierdzi, że to nasze zegary... spóźniają się - bo każdy widzi czas obiektu ruchomego jako wolniejszy.

Faktem jest jednak, że dla zwykłych, życiowych prędkości efekty teorii względności są praktycznie nie do zaobserwowania, gdyż zmiana czasu z nimi związana jest mniejsza niż milionowe części procenta. Dopiero dla prędkości zbliżonych do prędkości światła czas może wydłużyć dwu, trzy, czy więcej krotnie.

Prędkość - do zapamiętania

Zapamiętaj: c = 3∙  10⁸ m/s (dokładna wartość c = 299792458m/s).

Zapamiętaj - prędkość jest względna

Prędkość tego samego obiektu w różnych układach odniesienia może być różna. Przy przejściu z jednego układu odniesienia do drugiego prędkość często trzeba przeliczyć.

Zajrzyj też: Prędkość - teoria | I zasada dynamiki Newtona | Spis treści podręcznika Fizykon