Oddziaływania na odległość

1. Czym jest pole?

Pole to pojęcie abstrakcyjne, ale bardzo użyteczne. I chociaż wielu fizyków próbowało się bez niego obejść, to jednak w wyjaśnianiu różnych zjawisk jest ono niezbędne, bo bardzo upraszcza opis oddziaływań. Dlatego też stało się jednym z podstawowych pojęć fizyki.
Wprowadzenia pojęcia pola wymaga też fizyka relatywistyczna. Według niej nie istnieją żadne natychmiastowe oddziaływania na odległość. Szybkość rozchodzenia się każdego oddziaływania może być, co najwyżej, równa szybkości światła, a więc jednak skończona!!!

2. Co może być źródłem pola?

Źródłem pola jest ciało mające masę lub ładunek elektryczny i dzięki temu wywołujące w otaczającej je przestrzeni oddziaływanie na inne ciała o tych samych właściwościach.

W pewnym obszarze przestrzeni istnieje pole, jeśli na ciało o określonych właściwościach, znajdujące się w tej przestrzeni, w każdym jej punkcie działa siła.

Co to znaczy: „ciało o określonych właściwościach”?
To znaczy, że ciało obdarzone ładunkiem elektrycznym dozna działania siły, gdy znajdzie się w polu elektrycznym. Podobnie ciało mające masę dozna działania siły, gdy znajdzie się w polu grawitacyjnym.

Co to znaczy, że siła działa w każdym punkcie pola?
To znaczy, że do każdego punktu przestrzeni „przypisany” jest pewien wektor określający kierunek, zwrot i wartość siły działającej dokładnie w tym punkcie.

Skojarz na przykładzie!
Wyobraź sobie, że chciałbyś przedstawić pole przepływu wody w rzece. Możesz zrobić to za pomocą niezliczonej liczby strzałek, czyli wektorów prędkości wody. Kierunek i zwrot każdego z nich będzie wtedy pokazywał, w którą stronę płynie ta porcja wody, która znalazła się akurat w tym miejscu. Długość wektora będzie określać wartość prędkości, z jaką woda płynie. Oczywiście, nie możesz narysować nieskończenie wielu wektorów, a tylko niektóre z nich. Nie oznacza to jednak, że tam, gdzie wektor nie jest narysowany, to woda nie płynie!!! Przedstawiłeś, jak wygląda prędkość tylko w niektórych miejscach.

3. Gdzie istnieje pole grawitacyjne?

Każde ciało ma zdolność do przyciągania do siebie innych ciał. To wzajemne oddziaływanie między masami dowolnych ciał to oddziaływanie grawitacyjne. Do opisu oddziaływań grawitacyjnych służy pojęcie pola grawitacyjnego. Każde ciało tak zmienia otaczającą je przestrzeń, że inne ciało, umieszczone w tej przestrzeni, doznaje działania siły. To umieszczone ciało też jest źródłem pola. Oznacza to, że pole jednego ciała oddziałuje z polem pochodzącym od innego ciała. Pole jest tutaj rodzajem pośrednika w przenoszeniu oddziaływań między masami.

Przykład
Ziemia wytwarza wokół siebie pole grawitacyjne, czyli coś, co moglibyśmy nazwać strefą wpływu. Dlatego też na każde ciało, umieszczone w przestrzeni otaczającej Ziemię, działa siła przyciągania grawitacyjnego. Im dalej od środka Ziemi, tym ma ona mniejszą wartość. Zgodnie ze wzajemnością oddziaływań siły działające na Ziemię i na określone ciało mają tę samą wartość i kierunek, ale przeciwne zwroty.

4. Od czego zależy wartość siły grawitacji?

Wartość siły grawitacji można obliczyć ze wzoru:

Oraz wypowiedzieć słowami w formie prawa znanego jako prawo powszechnej grawitacji:

Siła grawitacji jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas oddziałujących ze sobą ciał, a odwrotnie proporcjonalna
do kwadratu odległości między ich środkami.

5. Dlaczego nie widać, że się wzajemnie przyciągamy grawitacyjnie?

Zauważ, że oddziaływanie grawitacyjne zależy od iloczynu mas oddziałujących ciał i silnie maleje ze wzrostem odległości. We wzorze jest też „tajemniczy” współczynnik G, którego wartość została wyznaczona drogą doświadczeń i wynosi:

Współczynnik ten jest bardzo mały, więc i siły grawitacji między ciałami o niewielkich masach są małe. Dla takich ciał, jak składniki atomów czy cząsteczek, nie bierzemy tych sił wcale pod uwagę. Podobnie jest z oddziaływaniami grawitacyjnymi między ludźmi. Siły grawitacji istnieją, ale ich wartość jest tak niewielka, że nie dostrzegamy żadnych efektów ich działania. Wystarczy jednak, że jedno z ciał ma olbrzymią masę, to siła staje się na tyle duża, że możemy obserwować jej skutki. Tak właśnie dzieje się w otoczeniu Ziemi. Olbrzymia masa, która wynosi około
M = 6 · 1024 kg sprawia, że zazwyczaj pomijamy oddziaływania różnych ciał między sobą i ograniczamy się tylko do opisu oddziaływań tych ciał z Ziemią.

6. Gdzie siły grawitacji mają dużą wartość?

Oddziaływanie grawitacyjne jest podstawowym oddziaływaniem w kosmosie. Mamy tam bowiem do czynienia z ciałami o ogromnych masach. Ich wzajemne oddziaływania grawitacyjne są przyczyną ruchu planet dookoła Słońca i ruchu księżyców wokół planet. Dla ruchu po orbicie kołowej siła grawitacji pełni rolę siły dośrodkowej, czyli jest odpowiedzialna za zakrzywienie toru ruchu planet, księżyców oraz sztucznych satelitów Ziemi.

7. Co trzeba wiedzieć o polu elektrostatycznym?

Źródłem pola elektrostatycznego są spoczywające ładunki elektryczne. Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne. Każdy z tych ładunków zmienia przestrzeń wokół siebie tak, że w każdym punkcie tej przestrzeni na umieszczone ładunki działają siły elektryczne.

Przedstawione na rysunku pole elektrostatyczne jest wytworzone przez pojedynczy ładunek elektryczny. Takie pole fizycy nazywają polem centralnym, gdyż w centrum takiego pola znajduje się ładunek będący jego źródłem. Linie, które pokazują kierunki działania sił elektrycznych i rozchodzą się promieniście od ładunku centralnego, nazywamy liniami pola elektrostatycznego. Przyjęto, że są one zawsze zwrócone w tę stronę, w którą zwrócona jest siła działająca na umieszczony w polu ładunek dodatni.

8. Jakie prawo określa wartość sił działających między ładunkami?

Takie prawo sformułował w 1785 r. francuski fizyk Coulomb. Mówi ono, że:

• Wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości
  tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu ich wzajemnej odległości.

Wzorem zapisujemy to tak:

Współczynnik k jest to współczynnik proporcjonalności, którego wartość zależy od ośrodka, w którym przyciągają się te ładunki. Siła ta działa wzdłuż prostej łączącej oddziałujące ładunki, a jej zwrot zależy od tego, jakiego rodzaju ładunki ze sobą oddziałują. Jeśli są one tego samego znaku, to odpychają się wzajemnie, jeśli znaki ich są przeciwne, to występuje między nimi przyciąganie.

9. Które oddziaływania są silniejsze?

To zależy od tego, o jakich ciałach mówimy. Dla dwóch naelektryzowanych ciał oddziaływania grawitacyjne są zwykle około 1042 razy słabsze niż oddziaływania elektrostatyczne. Jeśli jednak opisujemy obiekty o dużej masie, np. Ziemię lub inne planety, to ich całkowity ładunek jest zwykle równy zeru. Wówczas przy opisie ruchów interesuje nas wyłącznie grawitacja. Jeśli opisujemy świat cząstek, które są składnikami atomów, to siły elektrostatyczne są w tym przypadku wiele razy większe niż grawitacyjne.

10. Gdzie występują oddziaływania elektromagnetyczne?

Jeśli ładunki elektryczne są w ruchu, to nie tylko oddziałują na siebie elektrycznie, ale również wytwarzają wokół siebie pole magnetyczne. Dzięki temu możliwe jest oddziaływanie na siebie na przykład magnesów stałych i przewodników z prądem. Oddziaływania elektryczne i magnetyczne są więc ze sobą ściśle związane, dlatego nazywamy je często oddziaływaniami elektromagnetycznymi.

11. Jakie efekty oddziaływań elektromagnetycznych obserwujemy w naszym otoczeniu?

To, że ciała są sprężyste i zachowują ustalony kształt, jest wynikiem oddziaływań elektromagnetycznych między ich cząsteczkami. Podczas ściskania ciała, między zbliżonymi do siebie cząsteczkami działają siły elektrostatycznego odpychania, ponieważ zbliżają się do siebie jądra atomów. Gdy ciało nie jest ściskane ani rozciągane, siły odpychania i przyciągania równoważą się wzajemnie. Efektem takich oddziaływań są również siły tarcia. Podczas ruchu powierzchni ciał względem siebie pierwsze warstwy cząsteczek zbliżają się na tak małą odległość, że występują między nimi duże siły przyciągania. Gdy przesuwamy ciała, natrafiamy na opór, czyli siłę tarcia.

Okazuje się, że wszystkie obserwowane przez nas siły w przyrodzie albo są siłami grawitacji, albo są efektem oddziaływań elektromagnetycznych między najmniejszymi elementami materii.