Chyba każdy z nas spotkał kiedyś magiczną, tęczową sprężynkę. Choć magii w niej niewiele, to dawniej można było ją dostać niemal wszędzie – od osiedlowych sklepików i odpustowych straganów, po wielkie supermarkety. Dzisiaj tę kultową zabawkę można zamówić online za kilka złotych. Jeśli ktoś nie bawił się nią w dzieciństwie, zapewne trafił na viralowe filmiki z jej udziałem. To prosta konstrukcja, która na pierwszy rzut oka nie zdradza, jakie akrobacje potrafi wykonywać. W zabawie ogranicza nas właściwie tylko wyobraźnia. 

Może Was to zaskoczy, ale zabawka sprężynka została wynaleziona już w latach 40. ubiegłego wieku w USA i w ciągu zaledwie kilku lat sprzedała się w milionach sztuk. Pierwszy egzemplarz był całkowicie metalowy, a jego głównym zadaniem było… słynne schodzenie po schodach w zadziwiająco artystyczny sposób. W latach 70. sprężynka powróciła jako rynkowy hit, tym razem w znanej nam, plastikowej i kolorowej odsłonie.

Fizyka sprężynki: Grawitacja i sprężystość w akcji

To właśnie zabawa sprężynką na schodach lub pochylniach dawała najwięcej frajdy. Jako dzieci czuliśmy niesamowitą satysfakcję, gdy udało się ją puścić tak, by wykonała wiele efektownych „kroków”. Gdybym wtedy znał podstawowe zasady fizyki, pewnie szłoby mi dużo lepiej i zyskałbym miano „zaklinacza sprężyn” w szkole podstawowej. Zwykle jednak kończyło się na kilku stopniach i widowiskowej wywrotce. To prosta zabawka i do zrozumienia mechanizmu jej ruchu wystarczą dwie siły: sprężystość oraz grawitacja.

Sprężystość wydaje się mniej skomplikowana, więc od niej zaczniemy. Rządzi nią prawo Hooke’a, które mówi, że im mocniej rozciągamy ciało sprężyste, tym większy opór ono stawia. Nasza sprężynka jest niezwykle podatna na odkształcenia – rozciągając ją w dłoniach, praktycznie nie czujemy oporu. Rozciąga się ona bardzo łatwo nawet pod wpływem własnego ciężaru, a puszczona swobodnie, natychmiast wraca do pierwotnego kształtu. Ta dążność do odzyskania formy jest tu kluczowa.

Newton, Hooke i odwieczne przyciąganie

Idźmy dalej. Siła grawitacji to zagadnienie trudniejsze, ale i najbardziej namacalna ze wszystkich oddziaływań fundamentalnych. To ona spaja gromady galaktyk, układy planetarne i naszą codzienność. Wszyscy żyjemy w polu grawitacyjnym Ziemi. Na pierwszy matematyczny opis tego zjawiska musieliśmy jednak czekać do siedemnastego wieku. Wtedy to Izaak Newton sformułował prawo powszechnego ciążenia, łącząc zjawiska ziemskie z mechaniką kosmosu. Dziś wiemy, że opis Newtona był przybliżeniem, a naturę grawitacji dokładniej wyjaśnił Albert Einstein w ogólnej teorii względności. Jednak dla doświadczeń, które przeprowadzamy na Ziemi, mechanika klasyczna Newtona jest w zupełności wystarczająca.

Co ciekawe, wspomniany Robert Hooke (ten od prawa sprężystości) również „maczał palce” w teorii grawitacji. Gdy uczeni dumali nad ruchami planet w naszym Układzie Słonecznym, pojęcie grawitacji jeszcze nie istniało. To właśnie Hooke, nazywany „angielskim Leonardo da Vincim”, jako pierwszy zaproponował ideę siły zakrzywiającej prostoliniowy ruch ciał niebieskich.

Tuż obok niego należy postawić postać Izaaka Newtona. Obaj panowie za sobą nie przepadali i zaciekle walczyli o uznanie w świecie nauki. Choć Newton opierał się na pracach Galileusza, Keplera czy właśnie Hooke’a, to on dokonał czegoś, czego nie potrafił nikt inny: przeprowadził dowody matematyczne, tworząc przy tym rachunek różniczkowy. Powiązał siłę grawitacji z masą (samą masę też wymyślił i zdefiniował) i udowodnił, że ta sama siła, która przyciąga przedmioty do ziemi, utrzymuje Księżyc na orbicie.

Jak sprężynka kroczy po równi pochyłej?

Wróćmy do naszej zabawki. Podobnie jak na nas, działa na nią siła grawitacji skierowana pionowo w dół. To ona odpowiada za rozciąganie zwojów podczas „kroczenia”. Raz wprawiona w ruch sprężynka jest ściągana w dół, a następnie jej własne siły sprężystości gwałtownie przyciągają drugi koniec, nadając mu pęd. Dzięki bezwładności koniec ten mknie dalej i opada niżej – na kolejny stopień lub dalszą część pochylni.

Sytuacja się zapętla, a tęczowa sprężynka z niesamowitą gibkością wędruje w dół. Ruch zakończy się dopiero wtedy, gdy zabawa dotrze na płaskie podłoże (gdzie grawitacja nie może jej już napędzać). No jest jeszcze druga opcja – sprężynka nam się wywróci :)

Doświadczenie w Muzeum Grawitacji

W Muzeum Grawitacji każdy może powrócić do lat dzieciństwa i – bogatszy o wiedzę Newtona – poeksperymentować z ruchem sprężynki na... specjalnym ruchomym taśmociągu. Czy sprężynka może kroczyć w nieskończoność? Przyjdź i sprawdź to sam!