Obserwując, jak różne obiekty poruszają się w otaczającym nas świecie, możemy podzielić te ruchy na dwa rodzaje – ruch jednostajny i zmienny. Dokładnie do takiej myśli doszedł Izaak Newton, który potrafił również podać przyczyny tych ruchów.

Czy do ruchu potrzebny jest napęd?

Kiedy prędkościomierz w jadącym samochodzie wskazuje stale 50 km/h, to mówimy, że porusza się ze stałą szybkością. To pierwszy rodzaj ruchu – jednostajny, czyli cały czas taki sam. Nasuwa się pytanie, dlaczego tak właściwie samochód jedzie jednostajnie, skoro kierowca trzyma wciśnięty pedał gazu? Okazuje się, że do tego rodzaju ruchu nie potrzeba żadnego napędu. Obiekt raz wprawiony w ruch (np. popchnięty) będzie poruszał się bez końca… o ile nic mu w tym nie będzie przeszkadzało. W otaczającym nas świecie ruchowi przeszkadza jednak tarcie o podłoże oraz samo powietrze. Dlatego raz rozpędzony samochód, będzie stopniowo zwalniał. Żeby utrzymać go cały czas w ruchu, trzeba by usunąć wszystkie przeszkody. Nie jest to możliwe, więc pomagamy sobie, stale napędzając samochód przy użyciu silnika. Ten napęd całkowicie równoważy te przeszkody w ruchu, więc samochód nie przyspiesza ani nie zwalnia. Izaak Newton podsumował te warunki w pierwszej zasadzie dynamiki.

Czy możemy przyspieszać w nieskończoność?

Pozostańmy w naszym samochodzie i dodajmy więcej gazu. Co się teraz dzieje? Auto zaczyna jechać coraz szybciej, czyli przyspiesza. To drugi rodzaj ruchu – przyspieszony, czyli inaczej zmienny, bo szybkość się zmienia. W kilka sekund z naszych 50 km/h zrobiło się 80 km/h. Nasz napęd znacznie pokonał te przeszkody w ruchu, które cały czas działają. Wszystko oczywiście kosztem większego zużycia benzyny. Kiedy napęd już nie równoważy przeszkód w ruchu, a je przewyższa, to przechodzimy z pierwszej do drugiej zasady dynamiki. Pojawia się tutaj opis przyspieszenia, wynikający właśnie z braku równowagi między napędem a przeszkodami w ruchu. Skoro, zwiększając napęd, możemy coraz bardziej przyspieszać, to czy możemy zwiększać szybkość naszego ruchu w nieskończoność? Niestety nie. W naszym Wszechświecie istnieje coś takiego jak parametr oznaczany literą c. Jest on równy niecałe 300 000 km/s. To maksymalna szybkość, z jaką cokolwiek może się poruszać. Zwykle szybkość tę przypisujemy światłu i
w istocie nie będzie ono mogło tej wartości przekroczyć. Dlaczego? Krótka odpowiedź – bo tak. Długa odpowiedź nie istnieje, bo nie wiemy, dlaczego ten parametr c akurat tyle wynosi. Cytując klasyka: „taki mamy klimat”. Z rozważań Newtona ta górna granica szybkości nie wynikała, bo jeszcze o niej nie wiedział. Dopiero pod koniec XIX wieku fizycy zaczęli głębiej rozumieć ten problem. Przełomem były prace Alberta Einsteina na temat szczególnej teorii względności, w której poprawił on zasady dynamiki Newtona, które nie były złe, ale działały tylko dla szybkości nieprzekraczających około
30 000 km/s. Einstein wyjaśnił, że problem z przyspieszaniem w nieskończoność wynika z potrzeby dostarczania coraz większej energii. Kiedy zbliżamy się do prędkości światła, ilość energii rośnie do niewyobrażalnych wartości, których nie zaspokoi nawet cały Wszechświat.

Wózki Newtona: doświadczenie w Muzeum Grawitacji

Na odwiedzających Muzeum Grawitacji czeka cała sekcja eksperymentów poświęconych mechanice, w tym zasadom dynamiki. Znajdziecie tam m.in. wózki Newtona – to świetna zabawa gwarantowana dla całej rodziny. A przy okazji na własnej skórze poczujecie zasady dynamiki. Ten interaktywny eksponat składa się z dwóch platform (możecie na nich usiąść), które poruszają się naprzeciw siebie po szynach. Przeszkody w ruchu są niewielkie. Żeby wprawić je w ruch, potrzebny będzie napęd. Uzyskacie go sami, ciągnąc linę, którą trzymają obie osoby na wózkach. Im mocniej ciągniecie linę i im lżejsi jesteście, tym bardziej będziecie przyspieszać, a zderzenie będzie gwałtowniejsze. Tutaj rządzi druga zasada dynamiki. Ale jest jeszcze trzecia zasada. Mówi ona o wzajemności oddziaływań. Każde oddziaływanie, jakie możecie sobie wyobrazić, jest wzajemne, czyli występującej akcji towarzyszy reakcja. W przypadku naszych wózków sprawa wygląda tak: kiedy jedna osoba ciągnie linę, a druga tylko ją trzyma – oba wózki zaczynają się poruszać. Ciągnąc linę, wykonujemy akcję, której musi towarzyszyć reakcja. Sama naprężona lina zacznie nas ciągnąć w przeciwnym kierunku, dlatego nasz wózek również poruszy się do przodu i nastąpi wspólne zderzenie. Przekonajcie się sami!