Dráha rovnoměrného pohybu
Dráhu s, kterou urazí těleso rychlostí v za
čas t, vypočítáme podle vzorce:
s = v . t
Dráha rovnoměrného pohybu odpovídá v grafu časového
průběhu rychlosti obsahu obdélníku. Dráha tělesa bude větší, když se bude
těleso pohybovat rychleji nebo delší dobu.
Grafem časového průběhu dráhy rovnoměrného pohybu je úsečka,
která není rovnoběžná s časovou osou. Čím je rychlost pohybu větší, tím má
úsečka větší sklon, je strmější.
Graf časového průběhu dráhy nebo vzdálenosti tělesa nemusí
začínat v počátku souřadného systému – když třeba auto vyjede až po
několika sekundách nebo cyklista má několik metrů náskok.
Dráha nerovnoměrného pohybu
Dráha nerovnoměrného pohybu odpovídá stejně jako u
rovnoměrného pohybu ploše pod křivkou v grafu časového průběhu rychlosti.
Z grafu je vidět, že dráha s závisí na době pohybu a na průběhu rychlosti.
Grafem časového průběhu dráhy bude křivka, která znázorňuje
časový průběh rychlosti.
Výpočet doby rovnoměrného pohybu
Použijeme vzorec:
t = s/v (t je čas,
s je dráha, v je rychlost)
Síla a její účinky
Síla je spojená se vzájemným působením těles. Když stojí
váza na stole, dotýkají se přitom dvě tělesa – váza a stůl. Váza působí na stůl
a stůl působí na vázu. Mezi oběma předměty vzniká síla. Tento jev nazýváme
vzájemné silové působení. Tato dvě tělesa sice na sebe vzájemně působí, ale
nepohybují se. Jedná se o statické působení těles.
Statické působení může být i v jedoucím vozidle, a to mezi
řidičem a sedačkou, mezi řidičem a volantem na rovné silnici.
Jestliže se tělesa při vzájemném působení vzhledem k sobě
pohybují, je to působení dynamické. Příkladem může být, když na podlahu spadne
kámen, fotbalista kopne do míče.
Nejčastěji na sebe působí tělesa při vzájemném dotyku. Ke
vzájemnému působení těles ale může dojít i na dálku. Zde působí silové pole. Ta
existují tři – gravitační, elektrické a magnetické.
Gravitačně na sebe působí Země a Měsíc. Elektrické pole se
projeví silovým působením mezi dvěma zelektrizovanými mikrotenovými sáčky.
Vzájemné gravitační působení těles ve vesmíru vedlo ke vzniku soustav těles –
naše sluneční soustava, Galaxie atd.
Jaké jsou účinky síly
Jedním z účinků síly je deformace neboli změna rozměrů a
tvarů těles. Deformace může být dočasná (natažení pružiny) nebo trvalá
(zmáčknutí kuličky z plastelíny).
Deformace může být dobře viditelná na pohled (zmačkaný kus
papíru), ale i na první pohled neviditelná. Ale kdybychom měli citlivé
přístroje, tak bychom změřili, že i váza na stůl působí určitou deformaci.
Někdy síla může způsobit změnu pohybu tělesa. Jedná se o
pohybové účinky síly. Je to například v případě, když hodíme míč na podlahu.
Znázornění síly
Síla je fyzikální veličina, která charakterizuje vzájemné
působení těles. Označujeme ji písmenem F.
Jednotkou síly je newton, značka N.
Jeden newton (1 N) je přibližně síla, kterou vynaložíme,
abychom zvedli závaží o hmotnosti 100 g.
Většími jednotkami jsou kilonewton (kN) a meganewton (MN).
Milinewton označujeme mN.
- 1 nN
= 0,001 N (1 milinewton = 0,001 newtonů)
- 1 kN
= 1 000 N (1 kilonewton = 1 000 newtonů)
- 1 MN
= 1 000 000 N (1 meganewton = 1 000 000 newtonů)
Účinky síly záleží na její velikosti. Čím větší síla, tím
větší účinek síly na deformaci nebo pohyb těles.
Gravitační síly působí mezi každými dvěma tělesy. Čím větší
je jejich hmotnost a menší jejich vzdálenost, tím je síla větší. Nejvíce je to
patrné u nebeských těles, která na sebe působí obrovskou silou. Pokud má člověk
hmotnot 50 kg, tak je k Zemi přitahován silou asi 500 N.
Dvě síly, které mají stejnou velikost a stejný směr, mohou
mít ale jiné účinky. Účinky totiž záleží i na bodu, ve kterém síla působí.
Tento bod se nazývá působiště síly. Na poloze působiště síly závisí, zda má
síla posuvný, nebo otáčivý účinek.
Přímka, v níž síla působí, se nazývá nositelka síly. Sílu
můžeme posunovat podél její nositelky bez změny účinku.
Skládání rovnoběžných sil
Skládání sil je postup, kterým se nalezne jediná síla, která
má stejné účinky jako několik jiných skládaných sil. Výsledkem je výslednice
sil neboli výsledná síla.
F = F1 + F2
Výslednicí rovnoběžných sil stejného směru, které působí na
jedno těleso, je síla velikosti rovnou součtu sil. Výslednice má stejný směr
jako původní síly. Příkladem je situace, kdy na siloměr zavěsíme závaží a pak
přidáme ještě další. Siloměr se prodlouží. Síly, které na něho působí, mají
stejný směr.
Fv = Fb – Fa
Výslednicí rovnoběžných sil opačného směru je síla s
velikostí rovnou rozdílu větší a menší síly. Výslednice má směr větší síly.
Příkladem může být přetahovaná, kdy jedno družstvo táhne za provaz z jedné
strany a druhé družstvo z druhé strany.
Skládání různoběžných sil
Výslednicí dvou různoběžných sil se stejným působištěm je
síla, kterou můžeme určit graficky jako úhlopříčku rovnoběžníku vycházejícího
ze společného působiště.
Působí-li na jedno těleso více různoběžných sil, může se
stát, že výslednicí je nulová síla. Těleso je pak v klidu.
Když se řekne, že je těleso v rovnováze, znamená to, že je v
klidu nebo se pohybuje rovnoměrným přímočarým pohybem. Jednou z podmínek
rovnováhy je nulová výslednice všech sil, které na těleso působí.
Setrvačnost, síla a změny pohybu, akce a reakce
Setrvačnost
Předměty se samy do pohybu neuvedou. Aby puk letěl do
branky, musíme odpálit hokejkou. Tím mu dodáme určitou rychlost. Znamená to, že
na předmět je třeba působit silou, aby se dalo do pohybu. Puk na ledě urazí
určitou vzdálenost, než se zastaví (ne nutně v brance). Přitom ho brzdí
vzduch a led. Zároveň zde působí zákon setrvačnosti, který jako první vyjádřil
Galileo Galilei:
Těleso setrvává v klidu nebo v pohybu rovnoměrném
přímočarém, pokud není nuceno tento stav změnit působením jiných těles.
Pokud je výslednice sil působících na těleso nulová, je
těleso v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu.
Jaké jsou důsledky zákona setrvačnosti:
- Když
zakopneme, padáme dopředu.
- Když
nám podjedou na ledě nohy, spadneme na záda.
- Když
narazí auto do překážky, nepřipoutané osoby v něm se pohybují
dopředu, mohou narazit na volant, proletět sklem.
- Máváme
prachovkou, abychom z ní odstranili prach.
- Před
vstupem na pohyblivé schody se nesmíme zastavit.
- Při
prudkém brzdění v autobuse nás to žene dopředu. Pokud bychom se
nedrželi madla, spadneme.
Galileo Galilei (1564-1642)
- Toskánský
astronom, filosof, fyzik
- Podporoval
Koperníkům heliocentrický systém.
- Za
nedovolené publikování svých vědeckých názorů byl dvakrát postaven před
inkviziční soud a odsouzen. Trest žaláře mu byl zmírněný na domácí vězení,
ve kterém byl držen až do své smrti.
Síla a změny pohybu
Výsledná síla, která působí ve směru rychlosti, tělese
urychluje (roztlačení sáněk na sněhu)
Výsledná síla, která působí proti směru rychlosti, těleso
zpomaluje (tenista nadhodí při podání tenisový míček vzhůru. Ten se stále
zpomaluje, až se zastaví. Působí na něho tíhová síla.
Výsledná síla, která je kolmá ke směru rychlosti, zakřivuje
trajektorii tělesa (oběh Měsíce okolo Země – gravitační síla zde působící je
stále kolmá k Zemi)
Výsledná síla, která působí jiným směrem, než je směr
rychlosti a směr kolmý k rychlosti, má dva pohybové účinky. Jedním je
zakřivení trajektorie, druhým je změn velikosti rychlosti. Podle směru výsledné
síly se může rychlost buď zvětšit, nebo zmenšit.
Čím větší je výsledná síla, tím větší jsou pohybové účinky.
Čím větší je hmotnost tělesa, tím menší jsou pohybové
účinky.
Akce a reakce
Dvě tělesa na sebe navzájem působí stejně velkými silami
opačného směru. Tyto síly nazýváme akce a reakce. Obě síly mají společnou
nositelku, působí současně. Vždy působí na různá tělesa, proto se neruší.
Zákon akce a reakce poprvé vyslovil Isaac Newton.
Isaac Newton (1643-1727)
- Anglický
fyzik, matematik, astronom, teolog.
- Jeho
pojetí světa se stalo základem racionalismu a osvícenství.
- Sestrojil
první zrcadlový dalekohled. Objevil sextant.
- Objevil
tři pohybové zákony – zákon setrvačnosti, zákon síly a zákon akce a
reakce.
- Vedl
jako předseda anglickou Královskou společnost. Byl poslancem anglického
parlamentu.
Tíhová síla a těžiště
Všechna volná tělesa padají k Zemi. Síla, která to
způsobuje, se jmenuje gravitační síla. Zákon o gravitačním působení těles
pochází ze 17. století a formuloval ho Isaac Newton. Prý ho k tomu
inspirovalo padající jablko.
Gravitační síla je nepatrná, není-li hmotnost alespoň
jednoho z těles obrovská. To platí například ve vesmíru u vesmírných
těles, která na sebe působí obrovskou gravitační silou.
Pro výpočet gravitační síly se používá vzorec: Fg
= m . g (m je hmotnost tělesa a g je konstanta). Když roztočíme bandasku s vodou,
tak voda z ní nevyteče, protože kromě gravitační síly na ní působí ještě
síla odstředivá. Čím rychleji budeme s bandaskou točit, tím bude
odstředivá síla větší. Jestliže bude odstředivá síla v bandasce větší než
síla gravitační, voda z ní při točení nevyteče. Odstředivá síla je tím
větší, čím je dále těleso od osy otáčení. V ose otáčení odstředivá síla
nepůsobí.
Země se otáčí okolo své osy. Všude kromě pólů zde působí i
odstředivá síla. Gravitační síla Fg směřuje do středu Země.
Odstředivá síla Fo je kolmá k ose Země. Výslednicí těchto dvou
sil je síla FG neboli tíhová síla. Tato síla působí na všechna
tělesa na zemském povrchu. Tíhovou sílu lze vypočítat podle vzorce FG
= m . g, kde g se rovná 9,81 N/kg, tedy přibližně 10 N/kg. Konstanta g
se nazývá tíhové zrychlení. Určuje, je se tělesa zrychlují při volném pádu.
Tíhovou sílu například měříme i tehdy, když se vážíme na
osobní váze.
Působištěm tíhové síly je těžiště. Každé těleso má jen jedno
těžiště. Těžiště může ležet i mimo těleso. Poloha těžiště závisí na rozložení
látky v tělese. Těleso zavěšené nad těžištěm zůstává v klidu.
Tlak a tlaková síla
Tlaková síla působí kolmo na plochu. Její účinky popisuje
tlak, který označujeme písmenem p. Vypočítáme ho podle vzorce p = F/S,
kde F je tlaková síla a S je obsah plochy, na kterou tlaková
síla působí. Jednotkou tlaku je pascal (Pa). Tlak se zvýší zmenšením plochy. Tlak
lze také ovlivnit velikostí tlakové síly.
Setrvačnost
Aby se nějaký předmět dal do pohybu, musí na něho silou
působit jiný předmět. Italský vědec Galileo Galilei vyjádřil jako první zákon
setrvačnosti: Těleso zůstává v klidu nebo pohybu rovnoměrném přímočarém,
pokud není nuceno tento stav změnit působením jiných těles. Jinak
řečeno – pokud je výslednice sil působících na těleso nulová, je těleso v klidu
nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu.
Důsledky zákona setrvačnosti jsou – když zakopneme, padáme
dopředu. Když nám podjedou nohy na ledu, padáme na záda. Když narazí auto do
přepážky, tak nepřipoutané osoby v něm se pohybují dopředu. Mácháme
prachovkou, abychom z ní odstranili prach. Před vstupem na pohyblivé
schody se nesmíme zastavit.
Síla a změny pohybu
Když na těleso nepůsobí žádné síly, tak je v klidu nebo
v rovnoměrném přímočarém pohybu. Vzájemné silové působení těles se projevuje
deformačními nebo pohybovými účinky.
·
Výsledná síla, která působí na těleso ve směru
rychlosti, těleso urychluje.
·
Výsledná síla, která působí proti směru pohybu
tělesa, těleso zpomaluje.
·
Výsledná síla, která je kolmá ke směru
rychlosti, zakřivuje trajektorii tělesa. Síla, která působí zakřivení
trajektorie, působí vždy ke středu zakřivení, a proto ji nazýváme silou
dostředivou.
·
Výsledná síla, která působí jiným směrem, než je
směr rychlosti a směr kolmý k rychlosti, má dva pohybové účinky. Jedním je
zakřivení trajektorie, druhým změna velikosti rychlosti. Podle směru výsledné
síly se může rychlost buď zvětšit, nebo zmenšit. Čím větší je výsledná síla,
tím větší jsou pohybové účinky. Čím je větší hmotnost tělesa, tím jsou menší
pohybové účinky.
Otáčivé účinky síly
Pohybové účinky síly se mohou projevit nejen změnou
rychlosti či změnou směru pohybu těles, ale také roztočením tělesa, zrychlením
nebo zpomalením jeho otáčení, či zastavením otáčení tělesa. Jsou to otáčivé
účinky síly.
Rameno síly r je vzdálenost nositelky síly od osy
otáčení.
Moment síly M je fyzikální veličina. Je to součin ramene
síly a síly. Platí vzorec M = r . F, kde r je rameno síly a F
je síla. Jednotkou je newtonmetr N.m.
Síla způsobuje změny posuvného pohybu, moment síly způsobuje
změny otáčivého pohybu. Moment síly je vektorová veličina jako rychlost a síla.
K otáčení se s výhodou používá dvojice sil. Jsou
to dvě rovnoběžné, stejně veliké síly opačného směru, s různými nositelkami.
Rovnováha je stav, při které je těleso v klidu. Podmínkami rovnováhy jsou
nulová výslednice sil a nulový moment síly.
Moment síly se využívá například – nůžky, lis na ovoce,
mlýnek na maso.
Smykové tření
Když chceme pohybovat s nějakým tělesem, musíme k tomu
vyvinout sílu – někdy větší, někdy menší. Smykové tření vzniká, když se dvě
tělesa z pevných látek po sobě smýkají. Projevuje se silou působící proti
směru pohybu nebo silou, která brání tělesu v pohybu a která se nazývá
třecí síla. Klidová třecí síla je větší než třecí síla při pohybu. Třecí síla
závisí na povrchu obou těles, ale nezávisí na velikosti styčných ploch a na
rychlosti, kterou se po sobě tělesa pohybují.
Naši předkové využívali tření k rozdělávání ohně.
Valivé tření
Jedním z největších vynálezů lidstva je vynález kola,
které usnadňuje pohyb na zemi. Využívá totiž tzv. valivé tření, které vzniká,
když se tělesa z pevných látek po sobě odvalují. Vzniká třecí síla, která
působí proti pohybu, ale je mnohem menší než u smykového tření. Valivé tření je
možné vidět u koule, válce či kužele. Valivé tření se využívá i u kuličkových
ložisek.
Tření je důležití například při chůzi po ledě. Aby se nám
bota neklouzala, využíváme nesmeky nebo posypeme led pískem.
I při pohybu pevných těles v kapalinách nebo plynech
vzniká síla proti pohybu – odpor prostředí. Závisí na rychlosti tělesa a na
jeho tvaru.
Kapaliny
Molekuly kapalin jsou stejně jako molekuly plynů či molekuly
pevných látek v neustálém pohybu, který je neuspořádaný. Udržují se v přibližně
stejných vzdálenostech od sebe. Nejsou vázány na jedno místo a mohou po sobě
klouzat.
Molekuly na sebe působí odpudivými silami, jsou-li u sebe
moc blízko. Naopak jsou-li od sebe daleko, působí na sebe přitažlivými silami.
Kapaliny jsou tekuté, mají tvar podle nádoby. Jsou
nestlačitelné. Důsledkem sil mezi molekulami kapalin je pružná blána na povrchu
kapaliny. Její vlastnosti popisuje fyzikální veličina – povrchové napětí.
Například kapky rtuti se na podložce neroztečou, ale díky povrchovému napětí si
udržují svůj oblý tvar. Nebo u starších stanů se povrchového napětí využívalo
při dešti. Dokud jste se stanu nedotkli, tak do něho voda nezatekla. Jakmile
jste se ale stěny stanu dotkli, tak voda tím místem začala do stanu protékat.
Závislost hustoty kapalin na teplotě
Hustota kapalin se při zvýšení teploty zmenšuje. Výjimkou je
voda – její hustota se při zvýšení teploty mezi 0 °C až 4 °C zvětšuje a objem
zmenšuje. Hustota vody je největší při teplotě 4 °C. Tato výjimka se nazývá
teplotní anomálie vody. Díky ní přežívají vodní živočichové v rybnících či
řekách během zimy, kdy voda zamrzá, protože u dna nikdy nezamrzne.
Kapilární jevy
Na molekulu vody působí silami okolní molekuly. U povrchu
vody na molekuly působí i molekuly vzduchu. U stěny nádoby působí na molekuly
vody i molekuly látky, ze které byla nádoba vyrobena. Síly od molekul atomů
stěn nádoby jsou větší než síly mezi molekulami kapaliny, takže se hladina
kapaliny zvedne a smáčí stěny nádoby.
Pokud bychom do této kapaliny v nádobě ponořili kapiláru, tedy tenkou skleněnou trubičku o průměru sotva 1 mm, tak se stane to, že kapalina kapiláru zaplní. Jedná se vzlínání vody. Tohoto jevu využívají například zemědělci. Po setí se pole válcuje. V udusané půdě se vytvářejí kapiláry a těmi voda stoupá k semenům a urychluje jejich klíčení. Naopak po sklizni se pole rozoře, aby se kapiláry přerušily a aby se odpařováním neztrácela půdní vlhkost.
Jestliže ale na molekuly kapaliny v nádobě působí menší
síly od okolních molekul, tak ke smáčení stěn nádoby nedochází, ale hladina u
stěny nádoby poklesne – nesmáčí stěny nádoby. Tento jev je viditelný
například u rtuti. Když bychom do takové kapaliny dali úzkou kapiláru, bude
hladina kapaliny v kapiláře níže než hladina tekutiny.
Hydrostatický tlak
Tlaková síla působí i na tělesa ponořená v kapalině.
Například potápěči musejí mít v hloubce speciální oblek a různé vybavení,
které je chrání před obrovskou tlakovou silou.
Na kapalinu v nádobě působí tíhová síla. Kapalina
působí na dno tlakovou silou, která se rovná této tíhové síle. Důsledkem tíhové
síly je tlak v kapalině, který nazýváme hydrostatický tlak. Čím větší
hloubka, tím větší hydrostatický tlak.
Vzorec pro hydrostatický tlak: p = h . ρ . g, kde h
je výška sloupce hladiny, ρ je hustota kapaliny a g je tíhové
zrychlení.
Příkladem působení hydrostatického tlaku je zkáza ponorky
Titan v roce 2023, která s pěti lidmi na palubě jela na prohlídku vraku
lodi Titanic. Nevydržela však obrovský hydrostatický tlak a implodovala. Ponorka
byla vyrobena z materiálu, jenž obsahoval uhlíková vlákna, a měla odolávat
hydrostatickému tlaku v hloubce 3 000 metrů. Nebyla však nikdy na
tuto skutečnost certifikovaná regulačním úřadem. Všichni cestující museli před
nástupem na palubu podepsat prohlášení, že jsou obeznámeni s tím, že se
jedná o experimentální plavidlo. Za svou cestu ponorkou každý z cestujících
zaplatil 250 000 dolarů.
V hloubce 3 341 metrů se ponorka Titan odmlčela a
další 4 dni se po ní pátralo. V takové hloubce se hydrostatický tlak
pohyboval na hodnotě 400 atm, což je 40 milionů Pascalů. Ponorka tento tlak nevydržela
a došlo k implozi, což je opak exploze. Při implozi se těleso zbortí do
vlastního objemu, jakoby se zhroutí do sebe.
Spojené nádoby
Hladiny kapaliny ve spojených nádobách se ustálí ve stejné
výšce. Znamená to, že v každé nádobě je stejný hydrostatický tlak. Tento
jev se využívá například v sifonech umyvadel a WC, v konvicích, u
hadicové vodováhy a ve zdymadlech. Spojené nádoby ale musejí být přitom
naplněné stejnou kapalinou, aby došlo k tomuto jevu.
Jevu spojených nádob využívají i artéské studně, které
čerpají vodu z velkých hloubek – z 50 až 300 metrů.
Spojené nádoby jsou dvě či více nádob, v nichž po
naplnění kapalinou vystoupí hladina do stejné výšky. Výška hladin ve spojených
nádobách je důsledkem hydrostatického tlaku, jehož velikost závistí na hloubce
a ne na množství kapaliny.
Když ve spojených nádobách nebude stejná kapalina, pak
hladiny v nádobách nebudou stejně vysoko. Výš bude hladina té kapaliny,
která má nejmenší hustotu. Níže pak bude kapalina s větší hustotou. To
proto, aby se hydrostatické tlaky vyrovnaly.
Archimédův zákon
Archimédes byl řecký matematik, vědec a filozof. Žil v Syrakusách
v 3. století př. n. l.
Vztlaková síla působící na těleso v kapalině je rovna
tíhové síle, která by působila na kapalinu s objemem ponořené části tělesa.
Pro vztlakovou sílu platí: Fvz = V . ρ . g, kde V je
objem ponořené části tělesa, ρ (čti ró) je hustota kapaliny a g je
konstanta (9,81 N).
Vztlaková síla nezáleží na hloubce, v níž je těleso
ponořeno. Záleží ale na hustotě kapaliny. Archimédův zákon využívají plavci a
ryby. Ryby mají plynový měchýř v těle, kterým mohou regulovat, jak hluboko
se ponoří. Když objev měchýře zmenší, ponoří se hlouběji. Když ho zvětší, tak
vyplavou. To platí i pro plavce – když se nadechne, lépe plave. Když vydechne,
může se ponořit více do vody.
Plavání těles
Na těleso v kapalině působí tíhová síla směrem dolů a
vztlaková síla směrem vzhůru.
- Pro tíhovou sílu platí: FG = m . g = V . ρtělesa . g
- Pro vztlakovou sílu platí: Fvz = V . ρkapaliny . g
V obou vzorcích je stejný objem tělesa V a stejná
konstanta g, liší se pouze hustotami.
- Těleso se proto potopí, když tíhová síla bude větší než síla vztlaková. K tomu dojde, když hustota tělesa bude větší než hustota kapaliny (typické pro železný hřebík).
- Těleso se bude vznášet, když tíhová síla bude stejně velká jako vztlaková síla. Hustota tělesa se přitom bude rovnat hustotě kapaliny.
- Těleso bude stoupat k hladině, když tíhová síla bude menší než vztlaková síla. Přitom bude hustota tělesa menší než hustota kapaliny (typické pro dřevěnou špejli). Těleso se částečně vynoří z kapaliny a zmenší se objem jeho ponořené části. Tím se zmenší vztlaková síla a vynořování pokračuje tak dlouho, až se tíhová síla a vztlaková síla vyrovnají. Těleso pak bude plavat.
Ponorky
Archimédův zákon využívají ponorky. Mají nádrže – tzv. vodní
přítěž. Při ponořování se do této nádoby napustí voda, čím se zvětší hustota
ponorky, převládne tíhová síla a ponorka se ponoří. Při vynořování se nádrže
vypustí naplněním vzduchu. Hustota ponorky se zmenší, vztlaková síla bude větší
než tíhová síla a ponorka se vynoří.
Pascalův zákon
Působí-li na kapalinu v uzavřené nádobě vnější tlaková
síla, zvýší se tlak ve všech místech kapaliny stejně.
Tlak v kapalině je tvořen tíhovou sílou. Jedná se o
hydrostatický tlak. Když ale začneme kapalinu v nádobě stlačovat pístem,
tlak v nádobě bude součtem hydrostatického tlaku a tlaku vyvolaného vnější
silou.
Pascalův zákon se využívá pro hydraulické brzdy v autě,
hydraulický zvedák auta, v hydraulických lisech.
Plyny
Atomy a molekuly plynu se neustále neuspořádaně pohybují,
jejich vzájemné vzdálenosti nejsou stálé. Plyn plní vždy celý objem nádoby.
Plyny jsou stlačitelné a tekuté. Rozpínavost i tlak plynu jsou důsledkem pohybu
molekul.
Atmosférický tlak a jeho měření
Nad námi je atmosféra, složená z různých atomů a
molekul (kyslík, vodík, dusík). Na všechny tyto atomy a molekuly působí tíhová
síla. Důsledkem toho je značný tlak vzduchu u povrchu Země. Nazýváme ho
atmosférický tlak značíme ho pa. Atmosférický tlak je obdobou
hydrostatického tlaku v kapalinách.
Atmosféra působí na každý čtverečný centimetr povrchu našeho
těla takovou silou, jako kdyby na něm bylo položeno závaží o hmotnosti 1 kg.
Takto velký atmosférický tlak je i v uvnitř těla. Oba tlaky působí proti
sobě, takže výslednice je nulová. Rychlé změny atmosférického tlaku si ale lze
uvědomit například při letu letadlem, když nám zalehne při vzletu v uších a
nutí nás to polykat, abychom tlaky vyrovnali. Je tomu tak proto, že tlaková
síla zevnitř je větší než ta uvnitř.
Velikost atmosférického tlaku je cca 100 kPa. Záleží i na
počasí. Proto se podle něho předpovídá počasí.
Atmosférický tlak je nejvyšší u hladiny moře, s přibývající
nadmořskou výškou klesá.
Barometr
Přístroj, který používáme pro měření atmosférického tlaku.
Používá se pérový barometr, zvaný aneroid. Uvnitř má plochou kovovou krabičku,
ze které je vyčerpán vzduch. Pružná podstava krabičky je zvlněná a její
prohnutí se mění se změnou atmosférického tlaku. Tato změna je přenášena
pákovým zařízením na ručičku na stupnici.
Dříve se používal rtuťový barometr na základě původního Toricelliho
pokusu. Kvůli jedovaté rtuti se ale už nepoužívá.
Atmosféra Země a meteorologie
Atmosféra je vzduchový obal Země. S rostoucí výškou od
povrchu Země se zmenšuje hustota vzduchu a tím také jeho tlak. Atmosféra
postupně řídne a přechází do meziplanetárního prostoru. Přesnou hranici
atmosféra nemá.
I teplota vzduchu v atmosféře je různá. Atmosféra se
skládá z troposféry, stratosféry, mezosféry, termosféry a exosféry.
Nejnižší vrstvou atmosféry je troposféra, dosahuje
asi 18 km výšky. Její horní hranice se mění podle zeměpisné šířky a ročního
období. Její teplota není stálá a klesá s výškou až k hodnotě minus
60 °C. V troposféře probíhají všechny jevy, které sleduje meteorologie.
Meteorologie – využívá teplotu, tlak a vlhkost
vzduchu, proudění vzduchu (rychlost a směr větru), oblačnost, srážky.
Prouděním vzduchu v atmosféře vznikají na různých
místech na Zemi atmosférické fronty, které oddělují dvě vzduchové oblasti o
různé teplotě – oblast teplého a studeného vzduchu. Při přechodu fronty na
určitým územím, se mění hodnoty tlaku vzduchu.
Tlak vzduchu se měří barometrem.
Stratosféra – je v ní ozonová vrstva, která
chrání povrch Země před ultrafialovými paprsky slunečního záření.
Mezosféra – má dobrou elektrickou vodivost, je tu
totiž hodně volných iontů a volných elektronů. V mezosféře také shoří
padající meteoroidy.
Termosféra – vyskytuje se tu polární záře.
Archimédův zákon pro plyny
Vztlaková síla působící v atmosféře na těleso je rovna
tíhové síle, která by působila na vzduch s objemem tělesa.
Pro vztlakovou sílu platí: Fvz = V . ρ
. g, kde V je objem tělesa, ρ je hustota vzduchu a g
je konstanta.
Atmosférický tlak s výškou klesá. V okolí horní
části každého tělesa v atmosféře je nižší tlak než v okolí jeho dolní
části. Výslednice vztlakových sil míří svisle vzhůru a nazývá se vztlaková
síla. Je-li průměrná hustota tělesa menší než hustota vzduchu, těleso v atmosféře
stoupá. To platí pro některé plyny – helium, ale i pro teplý vzduch.
Tohoto jevu se využívá pro horkovzdušné balony.
Přetlak, podtlak, vakuum
Přetlak – rozdíl tlaku plynu a atmosférického tlaku. Tlak
plynu je v tomto případě větší. K měření přetlaku se používají
manometry. Přetlaku se využívá v pneumatikách, v domácí vodárně,
musejí s ním pracovat potápěči.
Podtlak – má-li plyn v nádobě tlak nižší, než je
atmosférický tlak. Využívá se u pump, vysavače, přísavky, ancistrus.
Vakuum – neboli vzduchoprázdno. Tlak se zde blíží hodnotě 0
Pa. Dosáhnout ho lze vývěvou.
Proudění vzduchu
V atmosféře se vzduch pohybuje díky rozdílu tlaků a
teploty. Rozdíl tlaku je způsoben počtem molekul v jednotce objemu. Pokud
bychom měli nádobu s menším množstvím molekul a druhou nádobu s větším
množstvím molekulu a udělali bychom mezi nimi přepážku a v té díru, tak by
molekuly z nádoby, kde je jich více, pronikaly do nádoby s menším obsahem
molekul tak dlouho, až by se jejich počty vyrovnaly.
Brownův pohyb – náhodný pohyb mikroskopických části v kapalině
nebo plynu. Rychlost zde záleží na teplotě.
Na meteorologických mapách zobrazují proudění vzduchu
izobary – jsou to čáry spojující místa se stejným atmosférických tlakem.
Anemometr – přístroj měřící rychlost větru.
Proudění vzduchu se využívá pro větrné mlýny, větrné turbíny,
plachetnice, letadla.
Aerodynamický vztlak – vzniká při vzájemném pohybu vhodně
tvarovaných těles a vzduchu. Např. u létacího draka nebo letadel. Využívají ho
i ptáci a vrtulníky.
Světelné jevy
Přímočaré šíření světla, rychlost světla
Zdroji světla mohou být rozžhavená tělesa – Slunce, plamen
svíčky, tak i tělesa nerozžhavená – zářivka, světluška. Svítit mohou i tělesa
osvětlená – Měsíc, osvětlená bílá zeď.
Bodovým zdrojem nazýváme zdroj světla, jehož rozměry jsou
zanedbatelné vzhledem ke vzdálenosti – pouliční lampa, hvězda. Ostatní zdroje
jsou plošné nebo prostorové.
Optická prostřední mohou být průhledná – vzduch, čisté sklo.
Mohou být i průsvitná – kouř, mlha, nebo neprůhledná – dřevo, keramika.
Světlo se šíří přímočaře. Rychlost šíření světla ve vakuu je
300 000 kilometrů za sekundu, v ostatních průhledných prostředích je
menší.
Stín je prostor za tělesem, do něho neproniká světlo ze
zdroje. Prostor, do kterého proniká světlo pouze z některého z více zdrojů
nebo z části plošného zdroje, se nazývá polostín.
Zatmění Slunce nastává, kdy se před sluneční kotouč
nasune Měsíc. Z míst na Zemi, která jsou ve stínu, pozorujeme úplné
zatmění Slunce. Z míst, kde je polostín, vidíme částečné nebo prstencové
zatmění Slunce.
Když se Měsíc dostane do stínu Země, pozorujeme zatmění
Měsíce. Je-li Měsíc celý ve stínu, jde o úplné zatmění Měsíce. Není-li Měsíc
celý ve stínu, pozorujeme částečné nebo polostínové zatmění Měsíce.
Změny osvětlení viditelné části Měsíce způsobené změnami
vzájemné polohy Slunce, Země a Měsíce, nazýváme fázemi Měsíce. Vystřídají se za
29,5 dne. Nejvýznamnějšími fázemi jsou nov, první čtvrť, úplněk a poslední
čtvrť. Pomocí dalekohledů lze pozorovat i fáze Merkuru a Venuše.
Odraz světla na rovinném zrcadle
Vyleštěné kovové rovinné plochy, obvykle chráněné skleněnou
vrstvou, nazýváme rovinná zrcadla. Pro odraz světelného paprsku na zrcadle
platí zákon odrazu: Úhel odrazu se rovná úhlu dopadu. Odražený paprsek leží v rovině
dopadu.
Obraz v rovinném zrcadle je zdánlivý, stejně velký,
vzpřímený a stranově převrácený.
Kulová zrcadla
Kulová zrcadla mohou být dutá nebo vypuklá. Rovnoběžné
paprsky se po dopadu na duté zrcadlo odrážejí do jednoho bodu, který nazýváme ohnisko
dutého zrcadla. Paprsky rovnoběžné s optickou osou dopadající na
vypuklé zrcadlo se odrážejí, jakoby vycházely z jednoho místa za zrcadlem.
Tento bod nazýváme ohnisko vypuklého zrcadla.
Zobrazení předmětu kulovými zrcadly
Skutečný obraz předmětu vzniká protnutím paprsků světla odražených
od zrcadla na stínítku. Zdánlivý obraz předmětu nelze zachytit na stínítko.
Duté zrcadlo vytváří obraz skutečný, je-li předmět od zrcadla dál než ohnisko.
Je-li předmět mezi ohniskem a dutým zrcadlem, pozorujeme zdánlivý, zvětšený obraz.
Obraz předmětu, který pozorujeme vypuklým zrcadlem, je vždy zdánlivý a
zmenšený.
Lom světla
Na rozhraní dvou prostředí, kterými světlo prochází, nastává
lom světla. Je důsledkem různých rychlostí šíření světla v různých prostředích.
K lomu světelného paprsku ke kolmici dojde, prochází-li světlo do
prostředí, ve kterém se šíří menší rychlostí než v původním prostředí (vzduch
– sklo, vzduch – voda). K lomu světelného paprsku od kolmice dojde, prochází-li
světlo do prostředí, ve kterém se šíří větší rychlostí než v původním prostředí
(sklo – vzduch, voda – vzduch).
Čočky
Rozeznáváme dva druhy čoček – rozptylky a spojky. Rozptylky
mění rovnoběžný svazek paprsků na paprsek rozbíhavý. Spojky jsou čočky, které
mění rovnoběžný svazek paprsků na sbíhavý.
Bod, do kterého spojka láme všechny paprsky dopadající rovnoběžně
s optickou osou, nazýváme ohnisko spojky. Čočka spojka se používá pro
brýle pro dalekozraké oči a pro lupu, dalekohledy, mikroskopy, objektivy fotoaparátů.
U rozptylky nazýváme ohniskem bod, ze kterého se rozptylují
paprsky dopadající rovnoběžně s optickou osou. Rozptyly zmenšují obraz pozorovaného
předmětu. Rozptylkou je například okulár Galileova dalekohledu. Dále se používá
pro brýle pro krátkozraké oči.
Důležitým údajem u čoček je ohnisková vzdálenost, která
udává vzdálenost ohniska od optického středu čočky.
Lidské oko
Oko se přizpůsobuje pozorování různě vzdálených předmětů
kolem nás tím, že oční čočka mění svou ohniskovou vzdálenost. Dvě nejčastější
vady oka jsou krátkozrakost a dalekozrakost. Vadu krátkozrakého oka (nevidí do
dálky) korigujeme čočkou rozptylkou a dalekozrakého oka (nevidí na blízko)
čočkou spojkou.
Optické klamy
Patří sem spodní nebo svrchní zrcadlení, které vzniká lomem
a úplným odrazem slunečního světla na různých vrstvách atmosféry. Svrchní
zrcadlení bývá v polárních krajinách.
Fata morgána – optický jev v atmosféře, zrcadlení. Lze
ji pozorovat na rozpálené silnici nebo na poušti.
Rozklad světla, barvy
Bílé světlo se při průchodu skleněným hranolem rozkládá na
jednoduché barvy a vzniká spektrum. Jsou v něm tyto barvy – fialová,
indigová, modrá, zelená, žlutá, oranžová a červená. K rozkladu světla
dochází i na vodních kapkách a vzniká duha.
Lidské oko obsahuje buňky citlivé na tři barvy – červenou,
zelenou a modrou (označujeme RGB).
Komentáře
Okomentovat