Fizyka od podstaw – rodzaje oddziaływań w przyrodzie

Fizyka opisuje zmiany zachodzące w przyrodzie za pomocą oddziaływań. To one sprawiają, że ciało spada, piłka zmienia ruch, magnes przyciąga metal, a sprężyna się odkształca. Oddziaływania nie są bezpośrednio widoczne – obserwujemy ich skutki. Zawsze są też wzajemne: jeśli ciało A działa na ciało B, ciało B działa na ciało A.

Czym jest oddziaływanie?

Oddziaływanie to wzajemne działanie na siebie co najmniej dwóch ciał. W fizyce siła jest miarą takiego oddziaływania. Jej wartość mierzy się w niutonach, oznaczanych symbolem N.

Samo oddziaływanie pozostaje niewidoczne. Możemy jednak rozpoznać je po skutkach, na przykład po ruchu piłki po kopnięciu, ugięciu gałęzi pod wpływem wiatru albo spadaniu przedmiotu na ziemię.

Oddziaływania bezpośrednie i na odległość

Podstawowy podział oddziaływań wynika z tego, czy ciała muszą się ze sobą stykać. Oddziaływania bezpośrednie wymagają kontaktu fizycznego. Występują wtedy, gdy jedno ciało pcha, ciągnie lub odkształca drugie.

Do oddziaływań bezpośrednich zaliczamy między innymi:

• pchanie, na przykład przesuwanie pudełka po podłodze
• ciągnięcie, na przykład ciągnięcie sanek
• podnoszenie przedmiotu
• zginanie, na przykład linijki lub gałęzi
• ściskanie i zgniatanie, na przykład gąbki albo plasteliny

Oddziaływania na odległość zachodzą bez bezpośredniego kontaktu ciał. Opisuje się je za pomocą pola, które można traktować jako obszar, w którym na inne ciało działa określone oddziaływanie. Przykładami są pole grawitacyjne, elektryczne i magnetyczne.

Ziemia przyciąga jabłko, mimo że przed upadkiem nie dotyka go. Magnes może przyciągać stalowy przedmiot znajdujący się w pewnej odległości, a naelektryzowany grzebień przyciąga skrawki papieru bez kontaktu z nimi.

Grawitacja, elektryczność i magnetyzm

W codziennych obserwacjach często spotykamy trzy rodzaje oddziaływań na odległość. Ich źródła i przykłady przedstawia tabela:

Oddziaływanie grawitacyjne występuje między wszystkimi ciałami mającymi masę. W typowych sytuacjach obserwujemy przyciąganie, na przykład między Ziemią a człowiekiem lub między Słońcem a planetami.

Oddziaływanie elektryczne dotyczy ciał mających ładunek elektryczny. Ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Dlatego naelektryzowane włosy mogą się rozchylać, a potarty bursztyn lub plastikowy grzebień może przyciągać lekkie kawałki papieru.

Oddziaływanie magnetyczne występuje między magnesami oraz między magnesem a niektórymi materiałami, na przykład żelazem. Dwa bieguny jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Z magnetyzmem wiąże się także działanie elektromagnesów, w których pole magnetyczne powstaje dzięki przepływowi prądu.

Na poziomie podstawowym nie trzeba łączyć tych zjawisk z fizyką cząstek elementarnych. Pole elektromagnetyczne opisują między innymi równania Maxwella, a szczególna teoria względności pokazuje związek między opisem pola elektrycznego i magnetycznego. Nie oznacza to jednak, że z samej teorii względności wynikają oddziaływania słabe lub silne.

Dlaczego oddziaływania są wzajemne?

Oddziaływanie nie jest działaniem jednostronnym. Jeśli ciało A działa na ciało B, to ciało B działa na ciało A. Jest to treść III zasady dynamiki Newtona, często nazywanej zasadą akcji i reakcji.

Gdy rakieta tenisowa uderza piłkę, odkształca ją i zmienia jej ruch. Jednocześnie piłka odkształca rakietę. Podobnie dwa magnesy przyciągają się wzajemnie, a nie tylko jeden z nich działa na drugi.

Warto pamiętać, że siły wzajemnego oddziaływania działają na różne ciała. Dlatego nie znoszą się automatycznie, gdy analizujemy ruch jednego wybranego ciała.

Jakie skutki powodują oddziaływania?

Skutki oddziaływań dzielimy na statyczne i dynamiczne. Skutki statyczne polegają na zmianie kształtu lub objętości ciała. Sprężyna może się rozciągnąć, gąbka zgnieść, a piłka odkształcić podczas uderzenia.

Skutki dynamiczne dotyczą zmiany ruchu. Oddziaływanie może wprawić ciało w ruch, przyspieszyć je, zahamować albo zmienić kierunek jego poruszania się. Kopnięcie piłki, zatrzymanie jadącego roweru i skręt samochodu są przykładami takich skutków.

To samo oddziaływanie może dawać różne efekty zależnie od właściwości ciała. Ciężar człowieka prawie nie odkształca twardej podłogi, ale wyraźnie ugina miękki materac. W każdym przypadku oddziaływanie istnieje, lecz jego skutek jest inny.

Słowniczek pojęć

• Oddziaływanie – wzajemne działanie na siebie ciał.
• Oddziaływanie bezpośrednie – oddziaływanie wymagające kontaktu ciał.
• Oddziaływanie na odległość – oddziaływanie zachodzące bez kontaktu, za pośrednictwem pola.
• Pole – obszar, w którym na ciało może działać określone oddziaływanie.
• Siła – wielkość fizyczna będąca miarą oddziaływania.
• Skutek statyczny – zmiana kształtu lub objętości ciała.
• Skutek dynamiczny – zmiana stanu ruchu ciała.

Najważniejszy schemat jest prosty: oddziaływanie powoduje skutek, a skutek pozwala rozpoznać, że oddziaływanie wystąpiło. Fizyka porządkuje te zjawiska, rozróżniając kontakt ciał, działanie pól, rodzaje oddziaływań oraz ich wpływ na ruch i kształt przedmiotów.