Zawrót głowy

W Układzie Słonecznym wszystkie planety zgodnie wirują wokół Słońca, jednocześnie obracając się wokół własnej osi. I tylko jedna z nich, Wenus, nieco wyłamuje się z tej reguły, gdyż wiruje wokół własnej osi w odwrotnym kierunku niż pozostałe. Wskutek tego jej mieszkaniec widziałby Słońce wschodzące na niej na zachodzie i zachodzące na wschodzie. Przyprawia to uczonych o, nomen omen, zawrót głowy i od dawna prowokuje dyskusje nad tym, dlaczego tak właśnie jest. Drugą „dziwną” planetą naszego Układu jest Uran, którego oś obrotu leży praktycznie w płaszczyźnie Układu Słonecznego, podczas gdy pozostałe planety mają bardzo różnie nachylone osie: w przypadku Merkurego, Wenus i Jowisza są one prawie prostopadłe do płaszczyzny ruchu wokół Słońca, a w przypadku Ziemi, Marsa, Saturna i Neptuna nachylenie wynosi 23–30 stopni.

Od jakiegoś czasu astronomowie wiedzą, że Słońce też rotuje w tym samym kierunku co jego wszystkie planety. Jednak ruch ten jest specyficzny, ponieważ Słońce to kula gazowa – obszar zbliżony do słonecznego równika wykonuje pełen obrót w ciągu ok. 25 dni, podczas gdy rotacja gazów w okolicy biegunów trwa niemal 38 dni.

Przez wiele lat zagadką pozostawało to, jak wygląda rotacja jądra słonecznego. Bezpośrednich pomiarów nie da się przeprowadzić, a gromadzone zdalnie dane wymagają bardzo precyzyjnych analiz. Latem 2017 r. opublikowano wyniki takich szesnastoletnich badań, wskazujących, że jądro Słońca wiruje czterokrotnie szybciej niż jego powierzchnia. Podejrzewano to już wcześniej, lecz dopiero teraz pojawiły się konkretne dane. Ten ruch obrotowy trwa od czasu, gdy tworzył się Układ Słoneczny, a wolniejszy obrót zewnętrznych warstw wynika prawdopodobnie z hamującego efektu wiatru słonecznego.

Warto zdać sobie sprawę, że ruch obrotowy występuje też w dalekim kosmosie. Jeśli spojrzymy na zdjęcia odległych galaktyk, szczególnie spiralnych, rzuci nam się w oczy ich charakterystyczny kształt. One także wirują i każdy z ich elementów (gwiazdy, pulsary, kwazary) porusza się naprawdę bardzo szybko. Oczywiście nie jesteśmy w stanie tego ruchu dostrzec, ponieważ obiekty te znajdują się bardzo daleko. Ze względów obserwacyjnych astronomowie klasyfikują galaktyki spiralne jako prawo- i lewoskrętne, ale powinniśmy pamiętać, że we wszechświecie żaden kierunek nie jest wyróżniony.

Efekt Coriolisa

Ruch wirowy możemy też obserwować na co dzień na Ziemi. Każdy zapewne widział wiry powstające w rzekach i strumieniach. Co jakiś czas media donoszą o niszczycielskich tornadach, a w Polsce spotykamy się z ich miniwersją, czyli z trąbami powietrznymi. Wiatr czy woda w pobliżu centrum wiru osiągają znaczne prędkości, których efektem mogą być spore zniszczenia. Kierunek rotacji tornad zależy od tego, nad jaką półkulą występują (efekt Coriolisa). Na północnej obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, natomiast na południowej – zgodnie z nim. Historycznie rzecz biorąc, obserwacja efektu Coriolisa wiąże się jednak z artylerią. Już w XVII w. zauważono, że ruch kuli artyleryjskiej zależy od tego, w jakim kierunku została ona wystrzelona. Jeśli armatę ustawimy w kierunku wschodnim albo zachodnim, kula leci po prostej (pod warunkiem, że nie działa na nią wiatr). Jeżeli lufę skierujemy na północ albo południe, tor lotu kuli będzie krzywoliniowy. Wszystko przez to, że Ziemia cały czas się obraca.

Doskonałym dowodem doświadczalnym występowania tego efektu jest zachowanie wahadła Foucaulta. Składa się ono zwykle z dość solidnego ciężaru zawieszonego swobodnie na długiej linie. Jeśli wprawimy je w ruch, zauważymy, że pionowa płaszczyzna jego wahań zmienia się w sposób stały, powracając do płaszczyzny pierwotnej po czasie zależnym od szerokości geograficznej miejsca, w którym się znajdujemy. Warto wiedzieć, że efekt ten nie występuje na równiku, natomiast na biegunie powrót do stanu pierwotnego następuje po dokładnie 24 godz. Działanie wahadła dowodzi obrotu Ziemi wokół własnej osi (na własne oczy możemy obejrzeć to w wielu miejscach na świecie, także w Polsce, m.in. w Centrum Nauki Kopernik, na wydziałach fizyki w Toruniu, Poznaniu czy Białymstoku, jak też w kościele św. św. Piotra i Pawła w Krakowie).

Efekt Coriolisa musi być brany pod uwagę także np. przez strzelców wyborowych. Jeśli strzał nie następuje dokładnie w kierunku równoleżnikowym, konieczna jest odpowiednia poprawka. Innym znanym zjawiskiem jest podmywanie brzegów rzek – na półkuli północnej silniej podmywane są prawe brzegi. Przy okazji warto rozprawić się ze znanym mitem mówiącym o tym, jak kształtuje się wir wody wypływającej np. z wanny. Często można przeczytać, że jest on spowodowany także efektem Coriolisa, ale w tym przypadku to nieprawda. Wanna ma zbyt małe rozmiary, aby efekt ten był znaczący – na kierunek wirowania wpływa tutaj wiele innych lokalnych czynników.

Praktyczne wykorzystanie ruchu obrotowego

Wirowanie to nie tylko zabawa. Owszem, karuzele są bardzo fajne. Przyjemnie też jest popatrzeć na pary kręcące się w tańcu czy na łyżwiarzy wykonujących piruety. Ale okazuje się, że możemy ruch obrotowy, a w zasadzie siły, które w jego trakcie występują, wykorzystać w praktyce. Co więcej, często nie zdajemy sobie sprawy, że na co dzień jesteśmy zależni od obrotów. Koła samochodu czy tramwaju, większość urządzeń mechanicznych, silniki rozmaitego typu, generatory prądu – to tylko niektóre z urządzeń ściśle związanych z ruchem obrotowym.

Pisałem już o pralce, której wirujący bęben pozwala na pozbycie się sporej części wody pozostającej po praniu między włóknami odzieży. Bęben pralki jest szczególnym przypadkiem urządzenia nazywanego wirówką. Wirówki mają bardzo szerokie spektrum zastosowań – mleczarskie służą do oddzielania tłuszczu od mleka, laboratoryjne pozwalają na szybsze oddzielenie osadu w pracowni chemicznej czy osocza od innych składników krwi. Wszystkie mają stosunkowo niewielką prędkość obrotową, maksymalnie do kilku tysięcy obr./min. Istnieją jednak tzw. ultrawirówki, których bębny osiągają prędkość nawet kilkuset tysięcy obr./min. Stosuje się je m.in. do rozdzielania izotopów uranu, ale także do badań biochemicznych.

Niezwykle przydatnym urządzeniem, którego zwykle nie widzimy, jest żyroskop. Najczęściej to dość ciężki krążek wprawiony w bardzo szybki (nawet kilkadziesiąt tysięcy obr./min) ruch wirowy. Zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu żyroskop utrzymuje stałe położenie osi obrotu. Jeśli więc uruchomimy go w taki sposób, że jego oś obrotu na starcie będzie wskazywać jakiś kierunek, pozostanie ona tak ustawiona niezależnie od ruchu żyroskopu. Jeżeli spowodujemy chwilowe odchylenie tej osi, wróci ona do pierwotnego położenia. Właściwość tę można wykorzystać m.in. w nawigacji morskiej w żyrokompasach, w lotnictwie w tzw. sztucznym horyzoncie czy do stabilizacji kamer (system steadicam, zastosowany m.in. podczas filmowania wyścigów w „Gwiezdnych wojnach”). Dokładnie to samo zjawisko fizyczne występuje we wszelkiego rodzaju gwintowanych lufach karabinowych. Pocisk w trakcie strzału zaczyna się obracać, co pozwala na zachowanie stałego toru jego lotu, a w konsekwencji – gwarantuje celność.

Wirowanie będzie też przydatne w przypadku długich podróży kosmicznych. W filmach SF widzimy często statki, których podstawowa część ma strukturę torusa. Ponieważ w trakcie lotu taki statek powoli wiruje, pozwala to na wytworzenie siły odśrodkowej, którą astronauci odczuwają podobnie do zwykłej siły ciążenia występującej na Ziemi. Chodzi tu o to, aby uniknąć długotrwałego przebywania w stanie nieważkości, niezbyt zdrowego dla organizmów żywych.

Miłośnicy piłki nożnej na pewno wielokrotnie widzieli sytuacje, w których piłka kopnięta w szczególny sposób leci nie po prostej, lecz po łuku. Specjaliści potrafią w ten sposób strzelić bramkę z rzutu rożnego. W odtworzeniu wyraźnie widać, że piłka zawsze wtedy rotuje. Resztę załatwia fizyka. Podobnie zresztą jest w przypadku innych sportów, w których używa się piłek różnych wielkości, jak tenis czy siatkówka.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Siła odśrodkowa i dośrodkowa

Każdy z nas zapewne doświadczył wiele razy w życiu działania siły odśrodkowej. Jeśli pojazd, którym podróżujemy, wchodzi w zakręt, czujemy, jakby jakaś siła próbowała nas (a także nasz pojazd) z tego zakrętu wyrzucić. Jej działanie możemy też obserwować w łazience, gdy pralka zaczyna wirować. Umieszczone wewnątrz rzeczy nie znajdują się wtedy na środku, ale przylegają do ścianek bębna. Dzięki tej sile woda znajdująca się między włóknami pranej odzieży wydostaje się przez otwory w bębnie. To właśnie siła odśrodkowa sprawia, że wiszące na karuzeli krzesełka zaczynają się odchylać od pionu – tym bardziej, im większą szybkość obrotową ma karuzela.

Nie należy mylić siły odśrodkowej z dośrodkową. Ta druga powoduje, że obiekt, który porusza się po okręgu, pozostaje w stałej odległości od osi obrotu. W przypadku Ziemi wirującej wokół Słońca źródłem tej siły jest grawitacja, natomiast w przypadku karuzeli siła ta pochodzi od napięcia łańcucha, na którym wisi krzesełko. W obu sytuacjach siły te się równoważą. Mają dokładnie taką samą wartość i kierunek, ale przeciwny zwrot.

***

Elektrony i jądro

Jeśli weźmiemy pod uwagę atom zgodny z modelem Bohra, to elektrony krążą w nim wokół jądra. Współczesny model atomu jest zdecydowanie inny i dziś żaden szanujący się fizyk nie poda takiego przykładu. Pamiętajmy też, że tzw. spin cząstek elementarnych tak naprawdę – pomimo mylącej nazwy (ang. spin oznacza „kręt”) – nie jest mechanicznym obrotem tych cząstek. One nie są małymi kulkami, które wirują – byłoby to zbyt duże uproszczenie, niemające odzwierciedlenia w rzeczywistości.