Doświadczalne badanie zjawisk fizyki i to, co odkrył Galileusz w dobie
renesansu

Epoka renesansu zaowocowała nie tylko wspaniałymi osiągnięciami w dziedzinie sztuki, ale również nowymi odkryciami w dziedzinie fizyki i astronomii. Fascynacja empirycznym podejściem do badań doprowadziła do nowych odkryć naukowych. Obserwacje astronomiczne Mikołaja Kopernika oraz Galileo Galilei, znanego w Polsce jako Galileusz, były przełomowe i stworzyły podwaliny pod współczesną astronomię i naukę o wszechświecie. Zastanawiając się nad tym, co odkrył Galileusz, należy wskazać przede wszystkim na zmianę paradygmatu – przejście od czystej teorii do praktycznych doświadczeń.

Legendarny eksperyment Galileusza ze spadkiem swobodnym ciał

Empiryczne doświadczenia Galileusza zapoczątkowały nowoczesne podejście do badania zjawisk fizycznych. Galileusza zafascynowały rozważania starożytnych uczonych, w tym Arystotelesa, dotyczące tego, czym jest, jaka jest przyczyna i jak działa spadek swobodny. Galileusz zadał sobie pytanie, dlaczego jego doświadczenia nie potwierdzają twierdzeń Arystotelesa, że czas spadania zależy wyłącznie od masy przedmiotu. Tak narodził się słynny eksperyment Galileusza ze spadkiem swobodnym ciał.

Masa a czas spadania – jak eksperyment Galileusza obalił logikę Arystotelesa?

Prosty eksperyment przeprowadzony przez Galileusza, polegający na obserwowaniu spadania dwóch takich samych cegieł zrzucanych osobno lub połączonych razem, prowadzi do zaprzeczenia logiki Arystotelesa o zależności procesu spadania od masy. Masa przedmiotu nie ma znaczenia dla czasu jego spadania. Wiele osób może zostać zmylonych pozornymi różnicami w spadaniu różnych przedmiotów, gdyż nie doceniają wpływu oporu powietrza lub innego ośrodka, w którym się poruszają. To właśnie ten eksperyment Galileusza udowodnił, że w idealnych warunkach ciężar nie wpływa na prędkość spadku.

Współczesna nauka w próżni – dlaczego dzisiaj eksperyment Galileusza jest łatwiejszy do przeprowadzenia?

W znanym doświadczeniu porównania szybkości spadku stalowej kuli i piórka wydaje się niemożliwe, że głównym czynnikiem różnicującym szybkość spadania nie jest masa tych obiektów, a kształt wpływający na opór powietrza. Druga część tego doświadczenia, w którym te same przedmioty spadają w próżni, wyraźnie dowodzi, że oba spadają w dokładnie tym samym czasie. Już wkrótce każdy będzie mógł samodzielnie przeprowadzić to skomplikowane doświadczenie, korzystając z interaktywnego eksponatu w Muzeum Grawitacji, aby na własne oczy zobaczyć, jak działa przyspieszenie grawitacyjne bez przeszkód w postaci atmosfery.

Brak próżni to nie problem – co odkrył Galileusz dzięki obserwacji i logice?

Galileusz nie miał jeszcze możliwości technicznych do przeprowadzenia tego eksperymentu w pełni kontrolowanych warunkach; nie dysponował technologią umożliwiającą uzyskanie na

Ziemi potrzebnej do eksperymentu próżni. Jednak wiele obserwacji przekonało go, że spadek swobodny nie zależy od masy przedmiotu. Zrzucając dwie kule o różnym ciężarze, o opływowym kształcie minimalizującym opór powietrza, Galileusz zauważył, że spadają na ziemię w tym samym czasie. Chcąc się przekonać, jak to jest możliwe, wymyślił doświadczenie polegające na pomiarze ruchu kuli po równi pochyłej.

Jak zmierzyć przyspieszenie grawitacyjne? Przełomowy eksperyment Galileusza na równi pochyłej

Dziś każdy może samodzielnie przeprowadzić ten eksperyment w Muzeum Grawitacji, ale wtedy dla Galileusza był on prawdziwym przełomem. W eksperymencie na równi pochyłej kula rozpędzała się, wykazując stałe przyspieszenie grawitacyjne, które Galileusz zmierzył, umieszczając w coraz większych odstępach dzwoneczki, w które uderzała tocząca się kula. Mierząc narastający czas upływający od kolejnych dzwonków, zaprzeczył błędnej teorii Arystotelesa, z której powinno wynikać, że ten czas powinien być taki sam.

Prawa matematyczne ukryte w ruchu – dlaczego przyspieszenie grawitacyjne rządzi światem fizyki?

Galileusz udowodnił, że prędkość toczącej się kuli cały czas się zwiększa niezależnie od jej masy i kula przebywa coraz większe odcinki toru w tych samych okresach czasu. Potwierdził doświadczalnie, że odcinki drogi kuli mają się do siebie w stosunku takim, jak kwadraty czasu ruchu. Niezależnie od nachylenia równi pochyłej, ta zależność jest zawsze w takiej samej proporcji odpowiadającej kolejnym liczbom nieparzystym (1:3:5:7:9). To odkrycie pokazało, że przyśpieszenie grawitacyjne nadaje ruchowi ciał mierzalny, matematyczny rytm.

Wielkie odkrycie, ale ludzkim językiem

Wyobraźmy sobie tor na równi pochyłej, po którym toczy się kula. Zakładając, że na każdy z odcinków kula potrzebuje jedną sekundę, a pierwszy odcinek ma 10 cm, to w okresie drugiej sekundy kula pokona dłuższy odcinek, bo 30 cm, w okresie trzeciej sekundy 50 cm, a w okresie czwartej sekundy aż 70 cm i tak dalej.

Jednocześnie suma odcinków drogi przebytej przez kulę jest w takiej proporcji do czasu potrzebnego na ich pokonanie, jak kwadrat jednostki czasu. Czyli w dwie sekundy kula przebywa drogę o długości równej czterokrotności początkowego odcinka i jest to równe liczbie 2², a w trzy sekundy przebywa drogę o długości równej dziewięciu początkowym odcinkom i jest to równe liczbie 3², w cztery sekundy 16 odcinków (co jest równe 4²), w pięć sekund 25 odcinków (5²) i tak dalej aż do końca toru. W takim razie jaką liczbę odcinków kula przebywa w sześć sekund? 6², czyli 36.

Odwiedź Muzeum Grawitacji i przeprowadź własny eksperyment Galileusza

W Muzeum Grawitacji każdy może poczuć się jak Galileusz, sam wykonać jego eksperymenty i łatwo się przekonać o przyśpieszeniu sygnalizowanym dzwonkami w równej odstępach czasu, pomimo coraz dłuższych odcinków drogi przebywanej przez toczącą się kulę. Można też sprawdzić na takiej samej równi pochyłej z dzwonkami rozmieszczonymi w jednakowych odstępach, jak przyśpiesza tocząca się kula, sygnalizując rosnące przyspieszenie grawitacyjne coraz szybszymi dźwiękami dzwonków.

Muzeum Grawitacji 

Dariusz Michalski