Adam Cebula „Ogólna teoria sznurka, czyli o tym, dlaczego nie lubimy fizyki”

Dlaczego nie lubimy fizyki? Kto nie lubi, ten nie lubi, chciałoby się powiedzieć. Jednak wiele wskazuje na to, że na podobne uogólnienie można sobie pozwolić. Wedle danych z różnych źródeł, na maturze fizykę zdaje ok. 4% aspirujących do dumnego świadectwa dojrzałości. W gimnazjum zamieniono ją na „przyrodę”, i tą „przyrodą” jest nawet na etapie, na którym powinniśmy jednak nazywać przedmiot „fizyką”.

O rozpacz przyprawiają mnie nieraz programy popularyzatorskie. Na National Geographic jest emitowana zatkajdziura pod polskim tytułem „Anatomia głupoty”, gdzie do filmików, na których nagrano faktycznie bezrozumne wygłupy, próbuje się dorobić jakąś fizyczną treść. Niestety – powiedziałbym – w osiemdziesięciu przypadkach na sto ta treść jest jedynie fizycznym bełkotem i z prawdziwą fizyką nie ma nic wspólnego. Np. próbowano tłumaczyć, dlaczego wygłupy z poduszkami powietrznymi przeznaczonymi do ratowania pasażerów w razie wypadku, w sytuacji, gdy się zrobi z nimi coś innego niż to, do czego zostały przystosowane, są źródłem guzów i sińców. Przy okazji usłyszałem kompletnie zmyśloną teorię o tym, że poduszka działa, kiedy wylatuje z niej gaz, jednak powodu, dla którego urządzenie to, uruchomione pod deską, na której siedzi eksperymentator, może mu nawet połamać miednicę, nie poznałem. A sprawa jest dość prosta do wyjaśnienia.

Zacząć trzeba od tego, że zasadą działania poduszki powietrznej jest rozłożenie siły jej działania na dużą powierzchnię. Jeśli podczas wypadku nasza głowa zostanie zatrzymana przez coś twardego, to siła (energia starcia) zostanie przyłożona np. tylko do kilku zębów, a te nacisku kilkudziesięciu kilogramów nie wytrzymają. Tymczasem poduszka „hamuje” głowę na dużej powierzchni, na dodatek jest relatywnie miękka, przez co siła wyliczona z II zasady dynamiki jest mniejsza. Zatrzymująca się głowa przelatuje kilka centymetrów i przyspieszenie jest wielokrotnie mniejsze niż wówczas, gdy trafimy w szybę czy kierownicę.

Dla ilustracji pewnego ogólniejszego problemu pozwolę sobie podywagować nad efektem stłuczonych tyłków, który prezentował nam filmik. Można się domyślić, co się stało. Delikwenci tam pokazani chcieli użyć poduszki powietrznej jak katapulty. Umieścili ją pod jakimś siedziskiem – bardzo prawdopodobne, że pod deską albo czymś podobnym. Zapewne też nie siedzieli na niej całym ciężarem, konstrukcja była niestabilna i wymagała podpierania się nogami. Poduszka została umieszczona tak, że do jej całkowitego wypełnienia pod tym siedziskiem brakowało miejsca, inaczej nie wyrzuciłaby nieszczęśników w powietrze. Połączyły się dwa efekty. Po pierwsze, deska miała możliwość rozpędzić się do znacznej prędkości, pchana przez napełniającą się poduszkę, więc przysmarowała bardzo skutecznie w siedzenie eksperymentatora. Po drugie, poduszka w momencie, gdy deska oparła się już o kości miednicy, pchała w górę całe ciało delikwenta, czyli kilkadziesiąt kilogramów masy. W zjawiskach, których dotyczy II zasada dynamiki, siły są proporcjonalne do masy. Masa głowy to ok. 4 kg, więc kiedy nam poduszka detonuje pod tyłkiem, to efektem takiego samego przemieszczenia w tym samym czasie mogą być siły 10–20 razy większe, bo osobnik homo sapiens może spokojnie ważyć i 80 kg nawet w młodym, durnym a chmurnym wieku.

Coś mądrzejszego? Widać jak na dłoni, że wyjaśnienie wypadków opisanych na filmie jest jedynie prawdopodobne, i przez to zwyczajnie mało efektowne. Nieszczęście z fizyką polega na tym, że jak wszystkie dziedziny wiedzy stanowi klucz do potęgi, ale nie do towarzyskiego powodzenia. Istnieje tylko niewiele zjawisk w naszym otoczeniu, które da się wyprowadzić bezpośrednio z praw fizyki. Prawie wszystkie są z nimi jedynie niesprzeczne, ale ich przebieg jest mocno zamazany z tej prostej przyczyny, że składa się na niego mnóstwo procesów cząstkowych. W fizyce mówi się o układach złożonych, „nieczystych eksperymentach” itd. Oznacza to tyle, że aby przewidzieć, czy delikwent odpalający poduszkę powietrzną pod swoim tyłkiem wykona taniec świętego Wita, wrzeszcząc z bólu, czy trzeba będzie wzywać pogotowie ratunkowe, trzeba uwzględnić bardzo wiele rzeczy np. masę deski, wysokość siedzenia, rozkład mas itd.

Cudowną sprawą w nauce jest to, że z mnogości różnych efektów potrafimy wydłubać te istotne, pokazać, jakie są efekty tych mniej istotnych, i od czasu do czasu coś nam się składa na tyle dobrze, że możemy powiedzieć: rozumiemy, jak to działa.

Może zabrzmi to zabawnie, ale sznurek jest jednym z tworów ludzkich rąk, który zawsze mnie intrygował. Rzecz w tym, że łatwo wyjaśnić, jak działa, za pomocą niefizycznych, intuicyjnych sformułowań typu „skręcona przędza”, ”splątane włókna”, „splot” itp., ale jak przełożyć na fizyczne pojęcia taki fakt, że wysnuwamy z kłębu przędzy pasmo, kręcimy wrzecionem, i okazuje się, że baranie włosy o długości kilkunastu centymetrów tworzą nić długości dziesiątków metrów?

Po latach coś wiem. Zjawisko pierwsze, czyli sumowanie się sił tarcia. Jest taki eksperyment: bierzemy sobie dwie książki i składamy tak, by kartka jednej książki nakładała się na kartkę drugiej. Wystarczy niewielka siła nacisku, by tarcie było tak wielkie, że rozdzielenie książek będzie niemożliwe. Można ciągnąć z całej siły, porozrywamy zszycia, a książki „nie puszczą”.

Poniekąd jedną sprawę związaną ze sznurkiem mamy wyjaśnioną: setki cienkich włókien stykają się ze sobą na relatywnie wielkiej powierzchni. Suma sił tarcia może przekroczyć wytrzymałość wszystkich. Jest tylko problem – dla powstania siły tarcia potrzebna jest siła prostopadła do kierunku działania sił rozrywających sznurek. Możemy się przekonać, że nierozrywalne książki wystarczy podnieść za grzbiet jednej z nich, a rozsuną się bez trudności. Sznurek, aby trzymał się kupy, musi być przez coś ściskany.

Za ten efekt odpowiedzialne jest skręcenie albo splot. Jak widać na rysunku, rozciąganie sznurka prowadzi do powstania siły ściskającej. Jej wielkość będzie zależeć od tego, jak bardzo włókna są skręcone. Jeśli sznur jest – jak to w dawnych książkach opisano – mocno skręcony, czyli przędziwo przebiega wokół osi pod dużym katem (bliskim 45 stopni albo nawet większym), siła ta będzie porównywalna z siłą rozciągającą. W sznurku skręconym luźno, gdzie kąt obiegu jest mały, będzie ona niewielka w stosunku do siły rozciągającej.

Można jeszcze opowiadać o tym, że splecenie pasm liny w prosty warkocz uniemożliwia jej rozkręcanie się, i jest lepszą „konstrukcją” niż skręcanie. Jeśli pooglądamy sobie współczesne liny, np. wspinaczkowe, zauważymy, że składają się one z oplotu, który faktycznie powstaje na tej samej zasadzie co warkocz, tyle że składa się on z oplotu wkoło (tak, jak się wyplata kosze z wikliny) oraz z rdzenia. Oplot ściska rdzeń, na który mogą działać siły jedyne wzdłuż osi liny. To powoduje, że całość jest nieco wytrzymalsza niż lina zwyczajnie skręcona.

Wiemy już wszystko? Jest jeszcze jeden istotny szczegół. Zadawałem sobie pytanie, będąc gdzieś na etapie czytania „Młodego Technika”, dlaczego np. przy budowie mostów wiszących przęsło wisi na linie, a nie na litym stalowym pręcie o dużej średnicy. Przecież, kombinowałem, taki pręt byłby mocniejszy. Dziś wiem, że nie. Jeśli weźmiemy wiązkę drutów oraz pręt stalowy o identycznym przekroju, jak suma przekrojów owych drutów, to cudownym sposobem druty mogą wytrzymać wyraźnie więcej – pomimo że użyjemy identycznego materiału.

Problem wynika z powstawiania naprężeń oraz mechanizmów niszczenia materiałów. Co się stanie, gdy w linie pęknie jedno małe włókno? Nic. Pozostałe się nieco przesuną i przejmą działającą na nie siłę. Kawałki włókna dzięki sile tarcia nadal pracują jak części składowe liny. Owszem, możemy się uprzeć, że nastąpiło obniżenie wytrzymałości w tym miejscu, ale wartość owego „osłabienia wyniesie tylko jeden podzielone przez liczbę takich włókien czy drutów pracujących w linie.

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „Paktów nie dotrzymywać!”

Felietony Adam Cebula - 2 czerwca 2017

Jak w SF funkcjonuje motyw katastroficzny? Można by odpowiedzieć „dobrze”. Co chwilę…

Adam Cebula „Koktajl czasów zarazy”

Felietony Adam Cebula - 25 marca 2020

A owszem, jest tak, że choróbsko rozwija się, gdy do organizmu dostanie…

Adam Cebula „Katastrofa poza horyzontem marzeń”

Para-Nauka Adam Cebula - 18 marca 2015

Niemal tradycyjnie przychodzi mi się tłumaczyć z włażenia w techniczne szczegóły. Powód jest zawsze taki…