Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #27 - energia potencjalna, czyli... (cz. 12)

Pozostajemy w tematyce energii potencjalnej sprężystości – zmienimy jednak przedmioty naszych rozważań. Dzisiaj przyjrzymy się procy, machinom wojennym oraz gumie. Zobaczymy szerokie spektrum zastosowań różnych wynalazków związanych z tą formą energii. Okazuje się, że proca, skarpetki i tyczka mają pewne wspólne cechy – wykorzystują energię potencjalną sprężystości.

Proca i inne bronie neurobalistyczne

Ogólnie bronią neurobalistyczną nazywamy broń wykorzystującą energię potrzebną do wystrzelenia pocisku, która jest zmagazynowana w odkształconym i naprężonym materiale. Można to realizować na wiele sposobów. Omówiliśmy już łuk i kuszę – gdzie energia magazynowana jest poprzez odgięcie sprężystego materiału. Kolejne sposoby to skręcenie włókien oraz wykorzystanie sprężonego powietrza.

Bardzo powszechną bronią jest proca. Także i w tym przypadku dosyć często spotykamy się z nieporozumieniami. W obiegu funkcjonuje tzw. proca katapulta i proca neurobalistyczna. Tematyką tego tekstu jest energia potencjalna sprężystości, więc teraz skupimy się na tym drugim pojęciu. Proca katapulta to broń, którą prawie każdy pamięta z dzieciństwa. Kawałek patyka w kształcie litery „Y” i kawałek gumy zamocowanej na końcach jej ramion. Ulubiona zabawka chłopców w nie tak dawnych czasach. Pozwalała strącić jabłka lub orzechy z drzewa. Czasami trafiła się rozbita szyba, ale to oczywiście przez przypadek… Pocisk to w tym przypadku kamyczek lub kamień. Jej użycie polegało na naciągnięciu gumy wraz z pociskiem (jedną ręką). Druga ręka trzymała podstawę procy. Po puszczeniu gumy, wracała ona do pozycji nienaciągniętej, wyrzucając pocisk z dużą prędkością. Skuteczność duża, skoro nawet szyba pękała. Naciąg gumy pozwalał zgromadzić dość „dużą” energię potencjalną, co przy niewielkiej masie kamyczka przekładało się na jego dużą energię kinetyczną. Warto zaznaczyć, że proce stosowano też do polowań. Szczególnie dzisiaj, osiągi proc są dużo większe. Zastosowanie metalu lub materiałów kompozytowych w połączeniu z ergonomią i stalowymi kulkami (większa masa, mała objętość -> duża gęstość) uczyniły z niej skuteczną broń.

Wymienianie wszystkich broni i omawianie ich dokładnych szczegółów technicznych byłoby zbyt długie i wykraczało poza ramy pojęciowe obecnego tekstu. Biorąc pod uwagę długą i obszerną historię tego typu broni, w ogólnodostępnych źródłach można znaleźć bardzo bogatą literaturę na ten temat.

A może by tak coś pokręcić?

Energię potencjalną sprężystości możemy gromadzić za pomocą zginania, naciągania, ściskania, ale także skręcania. Oczywiście te metody są ze sobą powiązane. Jeśli zginamy pręt to z jednej strony jego materia poddawana jest ściskaniu, a z drugiej rozciąganiu.

Energia potencjalna sprężystości może być magazynowana w sznurze nie tylko poprzez jego naciąganie w tradycyjny sposób. Dobrym przykładem jest sznur na pranie. Czasami wieszamy go w taki sposób, aby był podwójny. Wtedy można zrobić bardzo prosty mechanizm napinający. Wystarczy włożyć patyczek pomiędzy dwa sznury i zacząć nim obracać. Sznur będzie ulegał naciąganiu i dzięki temu będzie coraz bardziej naprężony. Jeśli patyczek umieścimy blisko jednego z punktów umocowania sznura to możemy go łatwo zabezpieczyć, tak aby z powrotem się nie „odkręcił”. Oczywiście dla testu można to zrobić na środku sznura i zakręcić wiele razy. Odległości zamocowań sznura nie zmieniają się, ale podczas obrotu sznura zaczyna „brakować” i musi to zostać skompensowane jego rozciągnięciem, ale w specyficzny sposób. Po puszeniu patyczka zobaczymy uwolnioną energię sprężystości (uwaga: energia ta może zostać przekazana nam w sposób nieprzyjemny przy kontakcie patyczka z ciałem). Oczywiście, ten sposób wykorzystywano także w dawnych czasach do konstrukcji broni. Przykładem takiej broni jest onager. Oczywiście nie jest to broń ręczna, a machina wojenna. Ludzkość bardzo szybko zrozumiała, że łuki, kusze, proce itp. można przecież zastosować na większą skalę. Wtedy będziemy mieli zgromadzoną większą energię potencjalną i przełoży się to na większe energie kinetyczne pocisków. Dzięki temu będzie można wyrządzić większe szkody i nabyć bardzo pożądaną umiejętność kruszenia murów. Co prawda cierpliwość palcem dół wykopie, a krople potrafią drążyć skały, ale lepsze jedno porządne uderzenie niż tysiące słabych. Na wojnie liczy się skuteczność i czas. Dlatego postęp powodował powstawanie coraz większych maszyn wykorzystujących zwierzęta pociągowe - zarówno do ich transportu na pole bitwy - jak i jako źródła energii mechanicznej. Ta następnie, była gromadzona w postaci energii potencjalnej w odpowiednich elementach maszyn.

Tajemnica gumy… w spodniach

Jest pewien wynalazek, z którym prawie każdy z nas ma do czynienia na co dzień. Można powiedzieć, że codziennie z nim obcujemy i oprócz tego, że chroni naszą skórę (pośrednio) przed zimnem i otarciami, to także pilnuje naszej godności. Ma on wiele nazw: guma pasmanteryjna, krawiecka lub po prostu guma. Znajduje się w różnych częściach garderoby. Główne z nich to skarpetki i majtki, ale można ją także spotkać w spodniach, rękawiczkach, spódnicach itp. Czasami może być nawet częścią teorii spiskowych jak choćby w słynnej scenie z filmu „Dzień świra”, gdzie jeden z sąsiadów pokazuje i omawia na klatce schodowej jaką ukrytą rolę pełni guma w skarpetkach. To jedna z tych użytecznych rzeczy, o której można powiedzieć – genialna w swojej prostocie. Wszyta w ubranie pozostaje w stanie równowagi zachowując swoją naturalną długość. Gdy chcemy nałożyć np. spodnie musimy ją rozciągnąć. I choć materiał usilnie chce powrócić do swojej pierwotnej długości to nasze biodra/pas skutecznie mu to uniemożliwiają. Skutecznie, ponieważ nie spadają zbyt często, a po zdjęciu możemy zobaczyć na naszej skórze odcisk gumy i wzoru materiału, w którym była wszyta. Równie genialnym wynalazkiem jest rzep, ale to już temat na inny tekst, ponieważ nie jest tam wykorzystywana energia sprężystości.

Trening z taśmami

Oczywiście nie sposób wymienić wszystkich zastosować materiałów sprężystych, czy też elastycznych (to różne pojęcia o odmiennej naturze mikroskopowej), ale jednym z ciekawych zastosowań jest sport. Ostatnio stały się modne taśmy do treningu. Aby ćwiczyć mięśnie muszą one czuć opór. Wykorzystanie energii potencjalnej grawitacji nie zawsze i wszędzie jest możliwe, chociaż pompki czy przysiady są uniwersalnym ćwiczeniem. Jednak energia potencjalna sprężystości w postaci gumy może być skutecznym oporem symulującym obciążenie. Nie musimy zabierać ze sobą kilogramów „żelastwa”. Wielkość obciążenia możemy regulować naciągiem gumy, a nie ściąganiem/dokładaniem talerzy od/do sztangi. Wykorzystanie materiałów elastycznych i energii potencjalnej sprężystości w sporcie jest zresztą dużo większe. Trampoliny, skok o tyczce są tego świetnym przykładem. Tyczka wygina się dość mocno, ale nie pęka i pozwala „pokonać” poprzeczkę. Także ubiór sportowców pozwala na zwiększenie osiągów. Jak wszyscy widzieliśmy, biegacz bez części nóg, ale z odpowiednimi protezami może mieć naprawdę imponujące osiągi. Wymaga to niezwykłego materiału, ponieważ energia potencjalna sprężystości zarówno gromadzona jak i uwalniana jest w bardzo krótkim czasie.

W kolejnym tekście przyjrzymy się temu wszystkiemu na poziomie mikroskopowym. Co się takiego dzieje w materii, że na poziomie makroskopowym zachowuje się ona w taki, a nie inny sposób. Zobaczymy czym jest sprężystość, elastyczność i plastyczność.