Dlaczego jabłko spada na ziemię?

Znasz może książkę „Alicja w Krainie Czarów”? Jej bohaterka na samym początku wpadła do króliczej nory. Leciała tak długo, że zastanawiała się, czy przeleci całą Ziemię na wylot i znajdzie się wśród ludzi chodzących do góry nogami. Co by się stało, gdybyśmy przebyli na wylot naszą planetę? Niemal dokładnie po przeciwnej stronie Ziemi znajduje się kraj zwany Nową Zelandią – jego mieszkańcy chodzą tak samo jak my – na nogach.

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:

jaki kształt ma Ziemia;
jakie rozmiary ma Ziemia.

Twoje cele

Zdefiniujesz powszechne ciążenie.
Omówisz znaczenie grawitacji na Ziemi.
Wyjaśnisz, na czym polega stan nieważkości.
Scharakteryzujesz masę ciała i ciężar oraz różnice między nimi.

iW5auRwJqU_d5e169

1. Co to jest ciążenie?

Przed setkami lat wyobrażano sobie, że Ziemia jest płaska, a gdyby była kulą, ludzie żyjący po przeciwnej stronie by pospadali. W rzeczywistości tak się nie dzieje, gdyż na każde ciało działa siła ciężkości związana z grawitacją. Jest to siła, z jaką Ziemia przyciąga wszystko, co znajduje się na niej lub w jej pobliżu.

RW8OTVkd6M2Fl

Ilustracja prezentuje kulę ziemską, na której stoją cztery, szare sylwetki człowieka umiejscowione w punktach północ (góra) , południe (dół), wschód, (prawo) zachód (lewo) — Działanie siły grawitacji jest niezależne od położenia danego przedmiotu względem planety
Źródło: Dariusz Adryan, dostępny w internecie: Pixabay, tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

Sprawdźmy, czy grawitacja działa jednakowo na wszystkie przedmioty. Może przedmioty o większej masie są przyciągane z większą siłą?

Siła grawitacji

Doświadczenie 1

Sprawdzenie, jak grawitacja oddziałuje na różne przedmioty.

Co będzie potrzebne

Kilka przedmiotów o różnej masie, ale niezbyt dużej powierzchni, np. piłka nożna, piłeczka pingpongowa, pudełko zapałek, ołówek, spinacz.

Instrukcja

Weź do ręki dwa dowolne przedmioty.
Upuść je z jednakowej wysokości na ziemię. Który z nich spadł szybciej?
Powtarzaj obserwację, korzystając z różnych przedmiotów.
Powtórz obserwację, ale tym razem upuszczaj przedmioty z większej wysokości, np. stojąc na krześle.

Podsumowanie

Jeśli wypuścimy dwa przedmioty dokładnie w tym samym momencie, upadną na podłogę w tym samym czasie.

Rw3GMIqrHO9lH

Ilustracja przedstawia dziewczynkę stojącą na drabinie i wypuszczającą z rąk dwie kule różnej wielkości. Obie kule spadają na podłogę z tą samą prędkością. Obok drabiny stoi druga dziewczyna i podtrzymuje drabinę oraz asekuruje dziewczynę na drabinie. — Badanie działania grawitacji - kule o różnej wielkości spadają na podłogę z tą samą prędkością
Źródło: Andrzej Bogusz, tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

Siła grawitacji wytwarzana jest przez każdy obiekt – Ziemię, ale także Księżyc czy Słońce. Grawitacja jest tym większa, im większą masę ma ciało. Księżyc jest znacznie mniejszy od Ziemi – dlatego grawitacja jest na nim sześć razy słabsza. Dzięki grawitacji możemy żyć na Ziemi w każdym jej miejscu i nikomu nie grozi, że z niej spadnie. Również dzięki grawitacji dookoła Ziemi krążą Księżyc oraz sztuczne satelity.

R1avYjei7NRxO

Fotografia prezentuje satelitę poruszającego się w przestrzeni okołoziemskiej. Satelita ma kształt cylindra z przewężeniem w okolicach połowy jego długości. Po bokach satelity wystają prostokątne baterie słoneczne. — Satelita porusza się z ogromną prędkością i dzięki sile grawitacji pozostaje w okolicy Ziemi
Źródło: dostępny w internecie: Wikimedia Commons, domena publiczna.

R1DvtcGGKBSPp

Fotografia prezentuje szerokie i głębokie wklęśnięcie w Ziemi. Jego wnętrze ma nieregularną powierzchnię. Ziemia wokół niego jest gładka i niczym nie porośnięta. Obok krateru znajduje się duży budynek. — Krater to pozostałość po okruchu skalnym z kosmosu; gdy okruch leci wystarczająco blisko Ziemi, to siła grawitacji może wpłynąć na jego kurs, co skutkuje uderzeniem w Ziemię
Źródło: NASA, National Map Seamless Server, dostępny w internecie: Wikimedia Commons, domena publiczna.

Ciekawostka

Istnieje legenda, że Isaac Newton, uczony, który jako pierwszy opisał, jak działa grawitacja, wpadł na ten pomysł przypadkiem. Kiedy był młody, siedział pod jabłonką i nagle na głowę spadło mu jabłko. Zaczął się wówczas zastanawiać, dlaczego jabłko zawsze spada na ziemię. Po wielu latach odkrył prawdę. Historia ta jest prawdopodobnie zmyślona przez samego naukowca, ale zawiera cenne spostrzeżenie: Wiele ciekawych odkryć można dokonać, kiedy uważnie obserwuje się otoczenie.

Isaac Newton1727Kensigton1642Woolsthorpe‑by‑Colsterworth

R1QKF46roghyt

Ilustracja prezentuje portret Isaaca Newtona. Ma poważną minę. Wzrok skierowany przed siebie. Ma długie, brązowe, kręcone i bujne włosy, ciemne oczy, długi nos i jasną karnację. Ubrany w białą koszulę z wysokim kołnierzem i lśniące brązowe okrycie. Tło jest ciemnobrązowe. — Isaac Newton
Źródło: Gottfried Kneller, olej na płótnie, domena publiczna.

Isaac Newton

1642 Woolsthorpe‑by‑Colsterworth – 1727 Kensigton

Angielski naukowiec zajmujący się astronomią, fizyką, matematyką, chemią i filozofią. Jako pierwszy opracował i przedstawił prawo powszechnego ciążenia. Jego badania dotyczące ruchu, w tym także ruchu planet i innych ciał niebieskich, utrwaliły ostatecznie teorię heliocentryczną. Dokonał wielu innych, znaczących odkryć i pomiarów w dziedzinie astronomii, fizyki i geografii.

Ciekawostka

Przedmioty o małej masie i dużej powierzchni (np. ptasie pióro czy kartka papieru), spadając, zachowują się jakby wbrew sile grawitacji. Nie spadają pionowo, lecz poruszają się na boki, a chwilami nawet unoszą się. Dzieje się tak, gdyż powietrze stawia im znaczny opór. Gdyby spadały w próżni, leciałyby pionowo w dół.

Ważne!

Jeżeli użyjemy odpowiednio dużej siły, to można nią pokonać grawitację. Na przykład ptaki siłą swych mięśni mogą oderwać się od ziemi. Potężne silniki rakietowe pozwalają na wystrzelenie statków kosmicznych tak daleko, by grawitacja ziemska nie była już dla nich odczuwalna. Taki statek może oddalić się od Ziemi.

iW5auRwJqU_d5e287

2. Masa i ciężar

Wyobraźmy sobie, że przygotujemy do lotu na Księżyc człowieka, który na Ziemi waży 80 kg. Gdy wzniesie się w rakiecie w przestrzeń kosmiczną i wyłączone zostaną silniki, to pomimo działania siły grawitacji nasz kosmonauta znajdzie się w stanie nieważkościstan nieważkościstanie nieważkości. Nie będzie nic ważył, choć masa jego ciała wciąż będzie taka sama. Po wylądowaniu na Księżycu, gdyby ten sam człowiek wszedł na wagę, to pokazałaby ona wynik sześciokrotnie mniejszy niż na Ziemi, mimo że jego masa nie zmieniła się. To dlatego, że siła grawitacji Księżyca jest właśnie sześć razy mniejsza niż ziemska.

R8H6W2YUeoNFT

Zależność ciężaru od grawitacji
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

Masa ciała zawsze pozostaje taka sama, za to zmienia się jego ciężarciężarciężar. W pewnych warunkach ciało może nawet nic nie ważyć, mimo że cały czas ma tę samą masę. Stan nieważkości istnieje także w statkach kosmicznych krążących po orbicie okołoziemskiej ze stałą prędkością i z wyłączonymi silnikami.

RHfDIfiMZfDc8

Fotografia wykonana z góry, ukazuje astronautę w stanie nieważkości w niewielkim pomieszczeniu na stacji kosmicznej. Astronauta manipuluje przy sprzęcie. Jest w pozycji leżącej. Na ścianach pomieszczania przytwierdzone różne sprzęty oraz kable. Poniżej astronauty widoczne przejście do następnego pomieszczenia. — Stan nieważkości
Źródło: NASA, domena publiczna.

RsOcJflu4XlTl

Fotografia prezentuje pierwszego człowieka na księżycu. Na pierwszym planie widoczny kosmonauta w białym kombinezonie stojący na powierzchni Księżyca, po jego prawej stronie powiewa flaga amerykańska. Na lewo od kosmonauty widoczny pojazd, w tle czarne niebo. Powierzchni Księżyca nie jest gładka. W tle widać pagórek. — Ciężar przedmiotów na Księżycu jest około sześciokrotnie mniejszy od ich ciężaru na Ziemi
Źródło: NASA, Charlie Duke, domena publiczna.

Ćwiczenie 1

Zmierz, jak wysoko możesz podskoczyć i jak długi skok w dal możesz oddać w warunkach ziemskich. Oblicz, jakie wyniki w tych samych dyscyplinach możesz uzyskać na Księżycu w warunkach sześciokrotnie mniejszej grawitacji.

RYrX1b1UsPWU8

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

Stan nieważkości można uzyskać w szybko obniżającym swój lot samolocie. Podczas szkolenia astronautów kandydaci do lotu w kosmos wsiadają do samolotu, a kiedy ten znajdzie się na dużej wysokości, zaczyna gwałtownie opadać. W kabinie przez kilkadziesiąt sekund panuje wówczas stan nieważkości, a astronauci mogą uczyć się poruszać w ten nowej dla nich sytuacji.

Ważne!

Długotrwałe przebywanie w stanie nieważkości jest niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego. Stopniowo zanikają mięśnie, a kości stają się słabsze i kruche. Nawet intensywne ćwiczenia fizyczne jedynie spowalniają te niebezpieczne procesy. Pobyt w stanie nieważkości przez kilka lat mógłby uniemożliwić powrót na Ziemię.

iW5auRwJqU_d5e352

Podsumowanie

Siła, z jaką jedno ciało przyciąga inne, nazywa się siłą grawitacji.
Wszystkie obiekty na Ziemi podlegają sile grawitacji.
Każdy obiekt ma masę, która się nie zmienia i nie zależy od grawitacji.
Ciężar ciała zależny jest od grawitacji, a nie od masy.

Praca domowa

Ćwiczenie 1

W dostępnych ci źródłach (np. w Internecie) znajdź informacje, jak długo ludzie przebywali na Księżycu w warunkach zmniejszonej grawitacji, a jak długo na stacjach kosmicznych w warunkach całkowitego braku ciążenia. Dowiedz się i zapisz, jakie odczuwali niedogodności po powrocie na Ziemię.

R1WRupJtTcJC4

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

iW5auRwJqU_d5e423

Słownik

ciężar

siła, z jaką grawitacja oddziałuje na przedmiot o określonej masie

masa

ilość substancji, z jakiej zbudowane jest dane ciało

siła grawitacji

siła, z jaką jedno ciało przyciąga drugie; im większa masa tego ciała, tym większa jest siła jego grawitacji

stan nieważkości

stan, w którym różne siły działające na ciało powodują, że to ciało mimo niezmienionej masy nie ma chwilowo ciężaru

iW5auRwJqU_d5e602

Zadania

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

RDRf0sRC6KeHV1

Uzupełnij tekst prawidłowymi wyrażeniami znajdującymi się poniżej. Siła grawitacji sprawia, że rzucony przedmiot zawsze 1. maleje, 2. na przedmioty o dużej masie, 3. im mniejszą masę ma ciało, 4. na wszystkie przedmioty, 5. zmniejsza prędkość opadania, 6. pozostaje bez zmian, 7. na metalowe przedmioty, 8. leci do góry, 9. unosi się w powietrzu, 10. spada w dół, 11. na przedmioty wykonane z określonych materiałów, 12. im ciało ma większą powierzchnię, 13. im ciało mniej waży, 14. jest większy, 15. jest mniejszy, 16. pozostaje bez zmian, 17. rośnie, 18. im większą masę ma ciało. Siła grawitacji działa jednakowo 1. maleje, 2. na przedmioty o dużej masie, 3. im mniejszą masę ma ciało, 4. na wszystkie przedmioty, 5. zmniejsza prędkość opadania, 6. pozostaje bez zmian, 7. na metalowe przedmioty, 8. leci do góry, 9. unosi się w powietrzu, 10. spada w dół, 11. na przedmioty wykonane z określonych materiałów, 12. im ciało ma większą powierzchnię, 13. im ciało mniej waży, 14. jest większy, 15. jest mniejszy, 16. pozostaje bez zmian, 17. rośnie, 18. im większą masę ma ciało. Siła grawitacji jest tym większa, 1. maleje, 2. na przedmioty o dużej masie, 3. im mniejszą masę ma ciało, 4. na wszystkie przedmioty, 5. zmniejsza prędkość opadania, 6. pozostaje bez zmian, 7. na metalowe przedmioty, 8. leci do góry, 9. unosi się w powietrzu, 10. spada w dół, 11. na przedmioty wykonane z określonych materiałów, 12. im ciało ma większą powierzchnię, 13. im ciało mniej waży, 14. jest większy, 15. jest mniejszy, 16. pozostaje bez zmian, 17. rośnie, 18. im większą masę ma ciało. Jeśli siła grawitacji działająca na dane ciało jest mniejsza, to ciężar tego ciała 1. maleje, 2. na przedmioty o dużej masie, 3. im mniejszą masę ma ciało, 4. na wszystkie przedmioty, 5. zmniejsza prędkość opadania, 6. pozostaje bez zmian, 7. na metalowe przedmioty, 8. leci do góry, 9. unosi się w powietrzu, 10. spada w dół, 11. na przedmioty wykonane z określonych materiałów, 12. im ciało ma większą powierzchnię, 13. im ciało mniej waży, 14. jest większy, 15. jest mniejszy, 16. pozostaje bez zmian, 17. rośnie, 18. im większą masę ma ciało. Jego masa wówczas 1. maleje, 2. na przedmioty o dużej masie, 3. im mniejszą masę ma ciało, 4. na wszystkie przedmioty, 5. zmniejsza prędkość opadania, 6. pozostaje bez zmian, 7. na metalowe przedmioty, 8. leci do góry, 9. unosi się w powietrzu, 10. spada w dół, 11. na przedmioty wykonane z określonych materiałów, 12. im ciało ma większą powierzchnię, 13. im ciało mniej waży, 14. jest większy, 15. jest mniejszy, 16. pozostaje bez zmian, 17. rośnie, 18. im większą masę ma ciało.

Uzupełnij z listy.

leci do góry, jest większy, im ciało mniej waży, unosi się w powietrzu, na przedmioty wykonane z określonych materiałów, na metalowe przedmioty, pozostaje bez zmian, pozostaje bez zmian, im większą masę ma ciało, im ciało ma większą powierzchnię, na wszystkie przedmioty, maleje, im mniejszą masę ma ciało, rośnie, zmniejsza prędkość opadania, jest mniejszy, na przedmioty o dużej masie, spada w dół

Siła grawitacji sprawia, że rzucony przedmiot zawsze ....................................................................................................... Siła grawitacji działa jednakowo ....................................................................................................... Siła grawitacji jest tym większa, ....................................................................................................... Jeśli siła grawitacji działająca na dane ciało jest mniejsza, to ciężar tego ciała ....................................................................................................... Jego masa wówczas .......................................................................................................