Biztos, hogy egymagam mozgásba tudom hozni magamat?

4548

Egy test mozgásállapotát (sebességét, lendületét) csak külső erő tudja megváltoztatni, vagyis egy olyan erő, amit egy másik test fejti ki az általunk vizsgált testre. A testre ható külső erő iránya fogja meghatározni, hogy milyen irányú lesz a test gyorsulása:

\[{\vec{F}}_{\mathrm{külső}}=m\cdot \vec{a}\]

Illetve ha nemcsak egyetlen külső erő hat a testre, hanem több is, akkor a külső erők összessége, eredője:

\[\mathit{\Sigma}{\vec{F}}_{\mathrm{külső}}=m\cdot \vec{a}\]

Milyen külső erő hat például egy autóra, amitől az autó nyugalmi helyzetből elindul előrefelé? Mivel az autó gyorsulása ilyenkor előrefelé irányban van, így a külső erőnek is előrefelé kell hatnia. Az autóra egyetlen előrefelé mutató erő hat, méghozzá a kerekei alján ébredő tapadási súrlódási erő. A motor megforgatja a kerekeket, amiknek alsó pontja hátrafelé irányuló \(F_{\mathrm{tap}}\) tapadási erőt fejt ki az úttestre, az úttetest pedig (Newton III. törvénye alapján) ezzel ellentétes, azaz előrefelé irányuló \(F_{\mathrm{tap}}\) tapadási erőt fejt ki a hajtott kerekekre:

Nem elég, hogy az autó "erős"? Biztosan kell külső erő? Igen, hiszen hiába van több 100 lóerős motor egy autóban, és nyomjuk is tövig a gázpedált, ha az autó jégen áll, akkor a súrlódási erő elhanyagolhatóan kicsike lesz csak, emiatt "nem lesz mi előre hajtsa" az autót, hanem csak egy helyben fognak pörögni a hajtott kerekei, de nem fog tudni elindulni. Illetve mivel a súrlódás nem pontosan nulla ilyenkor, hanem csak nagyon kis mértékű, ezért az autó lassan mégis elindul előre:

Hasonló a helyzet, ha nem jégen, hanem (hasonló mértékben csúszós) iszap van a kerekek alatt:

Amikor pedig egy nagyon erős motorú autóval padló gázzal indulunk el, akkor az autó kerekei nem tapadnak az úthoz, hanem elcsúsznak rajta. Később látjuk majd, hogy ez amiatt van, mert a csúszási súrlódás általában kisebb, mint a tapadási súrlódás, ezért az autó ilyenkor (füstölgő gumikkal) lassabban indul el, mintha úgy nyomnánk a gázt, hogy minél jobban, de még ne csússzon meg a kerék (ezt a szabályozást végzi el a "kipörgésgátló" automata rendszer sok autóban).

(Az autó végül amiatt képes előrébb jutni, mert a jégen is van egy pici súrlódás, és nagy sebességű kaparás esetén a súrlódási erő munkavégzése fejleszt annyi hőt, ami megolvasztja az aszfalton lévő jeget, a víz pedig már kifolyik a gumi bordái között, így a gumi érintkezik az aszfalttal. Ekkor kissé előrébb jut az autó, ahol újra le kell olvasztania az ott lévő jeget stb)

Ehhez hasonlóan hiába próbálunk elindulni egy szappanos vízzel síkossá tett padlón, mert a súrlódás olyan kicsi,hogy lényegében nincs külső erő, mely felgyorsíthatná a testünket. Erre a szokatlan helyzetre alapszik a szappanos foci nevű sport (vagy inkább játék), ahol minden, a hétköznapi életben megszokott, természetesnek vett mozdulathoz, melyhez külső erő szükséges, tehát gyorsulással jár (elindulás, megállás, irányváltás), szinte lehetetlenné válik:

 

Azonban amikor "van mit meglöknünk", például

  • gyalogosként a cipőtalpunkkal a padlót, járdát
  • úszodában a medence oldalsó falát
  • úszás közben a körülöttünk lévő víztömeget
  • evezéskor az evezővel a vizet

akkor Newton III. törvénye miatt az általunk kifejtett erőnek lesz egy ellenereje, ami ránk fog "visszahatni". Ez az "ellenerő" (más néven reacióerő) fogja megváltoztatni a sebességünket, például elinduláskor nulláról megnövelni azt.

Még szemléletesebb (bár nem hétköznapi tapasztalaton alapuló) eset, amikor egy űrsétán az űrhajós lebeg az űrhajó mellett a világűr vákuumában. Ha úgy próbál meg elindulni, mintha vízben lenne, azaz rúg egyet hátrafelé a lábával, ez a taktika hiába működik egy úszómedencében, a világűrben a lába "a semmit" rúgja meg, ezért nem fog ébredni nyomóerő a lába és a semmi között (ellentétben azzal, amikor az úszó talpa és megrúgott víztömeg között ébred erő és ellenerő), ezért nem fogja tudni magát elindítani. Egy helyben fog kapálózni, bármiféle eredmény nélkül. Tehát ha nincs külső erő, akkor egy álló test nem tud mozgásba jönni.

Hogy tud elindulni valamerre egy űrhajós, amikor a világűrben űrsétát tesz? Ha az úszáshoz hasonlóan próbálkozna, az nem vezetne sikerre, mivel nincs körülötte levegő, amit a kapálózásával ellökhetne, és ami reakcióerőként külső erőt jelenthetne számára. Szerencsére nem reménytelen az ő helyzetük sem: 

  • ha egy hevederrel hozzá van kötve az űrhajóhoz, a hevedert meghúzva az abban ébredő kötélerő fog a testére hatni külső erőként
  • ha van egy rakétája, az abból nagy sebességgel kiáramló gáz felgyorsításához erőre volt szükség, ennek ellenereje pedig az űrhajóst fogja gyorsítani. Persze a saját rakéta üzemanyaga a használattól fogy, így ez a módszer csak korlátozott ideig használható.

Térjünk vissza a Földre! Mi a helyzet, ha az autó kereke alatt mondjuk kavics van? Ekkor a motortól forgásba jövő kerék alsó pontja nem úgy fog viselkedni, mint normál esetben, hogy az úttesthez képest nem lesz elmozdulása. Hanem mivel az alatta lévő, könnyen elmozduló kavicsok "nem támasztják meg a kereket", vagyis nem jelenetenek jelentős ellenállást, ezért a kerék alsó pontja nem lesz mozdulatlan a talajhoz képest. Hanem hátrafelé kilövi a kavicsokat. A kavicsok vízszintes, hátrafelé irányuló mozgásba hozásához kicsi vízszintes erő elegendő, ezért a kerék csak kicsi vízszintes erőt fog kifejteni rájuk (könnyen "elugranak" a gyorsító erő hatására). De ha a kerék nem fejt ki nagy vízszintes erőt a kavicsokra, akkor Newton III. törvénye alapján a kavicsok is csak ugyanilyen kicsi erőt fognak kifejteni (reakcióerőként) a kerékre. Tehát a kerékre csak egy kicsi, előre mutató erő fog hatni. Ettől pedig alig lesz képes előrefelé gyorsulni. Ilyesmi helyzet áll elő, amikor egy krosszmotor kavicsos úton próbál hirtelen elindulni. Hiába erős a motorja, nincs aki "megtámassza" a kereke alját, aki nagy reakcióerő kialakulását biztosítaná, ezért a krosszmotorosok csak kisebb gyorsulásra tudnak szert tenni, mintha aszfalt úton indulnának el:

A felgyorsuláshoz tehát szükség van egy másik (külső) testre, amire erőt fejthetünk ki, és ami erőnek az ellenereje (reakcióereje) gyorsít majd minket. Úszáskor, elinduláskor ez a másik test lehet a medence betonfala, illetve a vízben haladva a (tömeggel rendelkező) víz az, amire a lábunkkal, kezünkkel a lökéskor erőt fejtünk ki, és emiatt reakcióerő ébred, ami ránk hat. Evezéskor pedig a lapátot meghúzva az ellöki a vizet, a víz gyorsításakor ébredő nyomóerő reakcióereje pedig visszahat a lapátra. A madarak és a repülőgépek pedig a levegőt lökik meg hátrafelé. Ezért van, hogy egy nagy repülőgép, aminek a tömege több 100 tonna, nagyon nagy mennyiségű levegőt kénytelen meglökni, méghozzá "jó erősen" (nagy sebességre felgyorsítva), hogy induláskor a saját felgyorsulását biztosítsa (vagy az utazás során a nagy sebesség miatti óriási légellenálási erőt legyőzze). Ezért kell a hajtóműből óriási sebeséggel kiáramlani az égéstermék gázoknak, illetve a turbofan lapátjai által meghajtott, felgyorsított levegőnek is; a kiáramló, kavargó, meleg levegő fénytörése miatt "zavaros" a kép a hajtómű mögött.