Kartka papieru znika spod monety w ułamku sekundy, a moneta wcale nie leci razem z nią. Zamiast tego opada prosto w dół, wprost do szklanki, jakby nic się nie stało. To zwykła sztuczka z kuchennego stołu, a jednak pokazuje jedno z najważniejszych praw fizyki: ciała nie lubią zmieniać tego, co aktualnie robią.

Co nam będzie potrzebne?

  • niska, stabilna szklanka (najlepiej plastikowa lub gruba, bez nóżki)
  • sztywna kartka, np. pocztówka lub kawałek cienkiego kartonu
  • moneta (np. 2 zł lub 5 zł – im cięższa, tym lepiej)
  • płaski stół
  • opcjonalnie: lekki, gładki obrus i plastikowy talerzyk do wersji dla odważnych

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Postaw szklankę na stole, a na jej brzegu połóż kartkę (u góry użyj sztywniejszego kartonu, np. pocztówki). Na środku kartki, dokładnie nad otworem szklanki, połóż monetę. Całość powinna stać stabilnie i płasko.

Krok 2: Spróbuj najpierw wysunąć kartkę powoli, ciągnąc ją poziomo. Zobaczysz, że moneta jedzie razem z kartką i spada obok szklanki. Tak dzieje się przy łagodnym ruchu – tarcie ma czas, żeby pociągnąć monetę za sobą.

Krok 3: Ustaw wszystko od nowa i tym razem pstryknij palcem w brzeg kartki, tak by wyskoczyła poziomo i bardzo szybko. Nie ciągnij do góry i nie hamuj ruchu. Kartka odleci na bok, a moneta, która nie zdążyła się przesunąć, opadnie prosto do szklanki.

Krok 4: Ćwicz kilka razy, zmieniając siłę i szybkość szarpnięcia. Zapisz w zeszycie, przy jakim ruchu wszystko zostaje na swoim miejscu, a przy jakim szklanka przewraca się razem z kartką. Na koniec spróbuj z cięższą monetą – sztuczka powinna się udać jeszcze łatwiej.

Wyjaśnienie naukowe

Za całą sztuczkę odpowiada bezwładność, czyli skłonność ciał do pozostawania w tym stanie ruchu, w jakim się znajdują. Opisał ją Isaac Newton w 1687 roku w dziele „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” jako pierwszą zasadę dynamiki: ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, dopóki siły działające na nie tego nie zmienią. Moneta i szklanka stoją nieruchomo, więc chcą dalej stać. Żeby je poruszyć, potrzebna jest siła, a tą siłą jest tarcie o kartkę.

Dlaczego szybkie szarpnięcie działa inaczej niż powolne? Tarcie działa na przedmioty tylko tak długo, jak kartka się pod nimi przesuwa. Przy szybkim ruchu ten czas jest bardzo krótki, więc siła tarcia nie zdąży nadać szklance ani monecie większej prędkości. Fizycy mówią, że popęd siły, czyli siła pomnożona przez czas jej działania, jest zbyt mały, by zauważalnie zmienić ruch. Im większa masa przedmiotu, tym większa jego bezwładność – dlatego ciężka moneta albo szklanka z wodą zostają na miejscu jeszcze chętniej niż lekkie przedmioty.

Zjawisko to znasz z codziennego życia. Gdy autobus nagle rusza, pasażerowie przechylają się do tyłu, a gdy gwałtownie hamuje, lecą do przodu, bo ich ciała „chcą” zachować dawną prędkość. Właśnie dlatego w samochodach są pasy bezpieczeństwa i zagłówki. Podobnie otrzepujemy mokry parasol, zatrzymując go gwałtownie, a kropelki lecą dalej. Słynna sztuczka z wyciąganiem obrusa spod zastawy to dokładnie ten sam pokaz w większej skali. Gdy to samo ciało obraca się, a nie jedzie prosto, mówimy o momencie pędu, który wykorzystuje na przykład zyroskop z koła rowerowego .

Ciekawe, że Newton nie był pierwszy. Już Galileusz na początku XVII wieku zauważył, że kula toczona po gładkiej powierzchni zatrzymuje się głównie przez tarcie, a nie dlatego, że ruch „sam z siebie” wygasa. Dzięki temu obalono dawny pogląd Arystotelesa, według którego do podtrzymania ruchu zawsze potrzebna jest siła.

Warianty

Wariant 1 – obrus i talerzyk. Połóż na gładkim obrusie plastikowy talerzyk lub kubeczek i szarpnij obrusem szybko w dół, wzdłuż stołu. Przy lekkich naczyniach i gładkim materiale zostaną na miejscu. To ta sama zasada, tylko efektowniejsza. Zacznij od pustych plastikowych naczyń, nigdy nie używaj szkła ani porcelany.

Wariant 2 – wieża z monet. Ułóż stos pięciu monet i uderz najniższą szybko poziomo linijką lub kartą plastikową. Dolna moneta wystrzeli na bok, a reszta opadnie i zostanie w stosie. Pokazuje to, że bezwładność działa na każdą monetę osobno.

Wariant 3 – jajko w kubku. Ustaw na szklance z wodą kartonowy krążek, a na nim tubę po papierze toaletowym z surowym jajkiem na górze. Wybij krążek szybkim uderzeniem palca – jajko wpadnie do wody. Zrób to nad blatem, na ręczniku, a najlepiej najpierw z jajkiem ugotowanym na twardo. Inny pokaz przekazywania ruchu znajdziesz w kołysce Newtona .

Często zadawane pytania

Czy bezwładność to to samo co siła? Nie, bezwładność to właściwość ciał, a nie siła. Opisuje to, jak bardzo ciało opiera się zmianie swojego ruchu. Miarą bezwładności jest masa: im jest większa, tym trudniej ciało rozpędzić lub zatrzymać. Siła jest natomiast tym, co tę zmianę ruchu powoduje.

Dlaczego sztuczka nie wychodzi, gdy kartka jest chropowata albo wilgotna? Chropowata lub wilgotna kartka ma większe tarcie o szklankę i monetę. Dzięki temu siła tarcia jest większa i zdąży nadać przedmiotom zauważalny ruch w stronę ciągnięcia. W efekcie moneta się przesuwa, a szklanka może się przewrócić. Warto więc używać gładkiego, suchego papieru i ciągnąć tak szybko, jak tylko można.

Czy w kosmosie bezwładność też działa? Tak, i to bardzo wyraźnie. W kosmosie nie ma prawie żadnych oporów ruchu, więc sonda kosmiczna po wyłączeniu silników leci dalej z tą samą prędkością przez miliony lat. Astronauci na orbicie są nieważcy, ale ich masa i bezwładność się nie zmieniają. Dlatego przesunięcie ciężkiego satelity w kosmosie wymaga tak samo dużej siły, jak na Ziemi, podobnie jak rakieta z balonu wymaga odrzutu, żeby zmienić prędkość.