See pole üldsegi raske! Paljud inimesed hakkavad kohe hädaldama, kui kuulevad sõna füüsika. Tihti on asi selles, et neil pole kooli füüsikatundidest kuigi häid mälestusi. Ometi on füüsika tegelikult väga lihtne teadus. Selle põhimõistetest aru saamiseks ei pea sugugi palju arvutustega vaeva nägema. Selles raamatus näed, et füüsika on hoopistükkis väga põnev ja aitab mõista paljutki, mis toimub meie ümber looduses ja igapäevases elus. Just see pakubki teaduse juures pinget. Näiteks autoga sõites tunned sa, kuidas kiirendus vajutab sind istmesse, auto pidurdades aga surub inerts sind vastu turvavööd. Siin koged füüsikalisi jõude omaenda kehaga. Ilma elektrivooluta ei kujutaks me igapäevaelu ettegi. Elekter on aga samuti füüsikaline nähtus, mis – ja väga võimsal kujul – muutub meile nähtavaks ja tajutavaks äikese ajal. Füüsika kergendab tunduvalt meie töid: kaldteed ja rullikud, niisamuti talid ehk rambid, rattad ja kraanad aitavad meil ka suuri raskusi ühest kohast teise liigutada ilma suure jõupingutuseta. Näed siis – füüsika vaatab vastu lausa igast nurgast! On põnev seda märgata ja mõista. Käi lahtiste silmadega ringi ja uuri neid asju ka ise. Kui selle raamatu läbi loed, mõistad maailma palju paremini. Naudi oma pingetpakkuvat reisi läbi füüsika maailma!
3
sisukord
Sina ja füüsika
6
Õhurõhk, veesurve ja üleslükkejõud
Füüsika – mis see õigupoolest on? 6 Mis kõik füüsika juurde kuulub 8 Füüsika ja teised loodusteadused 12 Füüsika on tehnika sõbratar 16 Ranged seadused 18 Mõõtmine, loendamine ja arvutamine 20
Aatomid, elekter ja magnetism
Jõud, mass ja inerts
Keegi ei tea, milline see tegelikult välja näeb: aatom Elektrilised mehikesed Said elektrilöögi? Lugusid vooluringist Väsitav ringkäik: vooluring Kas teil leidub mulle kilo vatti? Elektrimehikestel hakkab palav Magneti maagiline jõud Kena paarike: härra Magnetism ja preili Elekter Jooksutamine Elektrimehikesed saavad nipi kätte!
24 30 32 36 38 44 48 50 54 56 60
Kaalukas asi: mass ja kaal 62 Miks on asjad rasked? 66 Vabalanguses 70 Laisad jõud 72 Jõud ja vastandjõud 74 Jagatud mure on pool muret 76
Kaldteel Hõõrdumine võib asja raskendada Kaldkeermestatud pind: kruvi Rullikud lihtsustavad tööd Kang ja kiigetrikk Rullik ja tross Väsitav: töö Alati taktis: pendel
Vee all 96 Mis on õigupoolest rõhk? 98 Miks puit ujub? 100 Ka õhk kaalub midagi 102 Cartesiuse sukelduja 106 Õhus „ujumine“ 108
Võnked, helid ja peegeldused
62
Kang, rullikud ja kaldpinnad
4
24
96
Õhk võbeleb Helikiirusel Kõrgused ja madalused Kassikontsert Kus elab kaja? Häiriv müra
Valgus, kiir ja peegeldus
110 110 112 116 118 120 122
124
Valguskiirgus ja valguslained Kohutavalt kiire: valguse kiirus Jõnksud optikas Valge, kuid siiski mitmevärviline Pimedus soosib salasepitsusi Valguse koondamine ja hajutamine Ka peeglid võivad valgust koondada ja hajutada Register
124 126 130 132 134 136 140 142
Tuntud füüsikud 78 78 80 82 84 86 90 92 94
Werner Heisenberg Niels Bohr Alessandro Volta Michael Faraday Isaac Newton Archimedes Otto von Guericke Leonardo da Vinci Albert Einstein Galileo Galilei
10 28 42 58 68 88 104 114 128 138
5
sina ja füüsika
Füüsika on tehnika sober Muidugi on inimene leiutanud terve hulga asju, ilma et ta oleks füüsikast kuigi palju teadnud: näiteks tuule- ja vesiveskid mõeldi välja ammu enne seda, kui voolu hakati füüsikaliselt uurima. Samuti kasutasid kiviaja inimesed haamrit, olemata midagi kuulnud kineetilisest energiast. Viikingid ehitasid kogemuse järgi hämmastavalt kiireid laevu, kuigi neil polnud aimugi voolamisteadusest ehk reoloogiast. Füüsikaseadused on toiminud kogu inimkonna ajaloo vältel – juba kiviajal, kui kasutati seda haamrit.
Füüsika teeb palju asju paremaks Paljusid asju saab laitmatult toimivaks ehitada lihtsalt tunde järgi. Kuid füüsika võimaldab selliseid asju tihtipeale veel märkimisväärselt täiustada. Näiteks tänapäeval arvutatakse tuuleturbiinide tiivikute kuju välja täpselt füüsikaseaduste alusel. Seetõttu kasutavad nad tuult ära palju paremini kui vanad tuuleveskid, mida ehitati tunde ning kogemuse põhjal.
tasub teada! Aurumasinad, mootorid ja füüsika Gaaside füüsika on keeruline. Kui järk-järgult saadi nende saladuste jälile, oli võimalik ehitada aurumasinaid, mis kütust palju paremini ära kasutasid. Ka tänapäevased säästlikud automootorid on võimalikuks saanud seetõttu, et füüsika ja insenerid saavad üha täpsemini aru, mis mootori sees toimub.
Ehitus ja arvutid
Paberi ja arvutuslükatiga töötamine on vaevarikas.
Arvuti lihtsustab paljusid arvutusi.
Vanade aegade ehitusmeistrid suutsid kavandada ja püstitada suurepäraseid ehitisi. Vaata kasvõi mõnd lossi, vana kirikut või ajaloolise vanalinna maju. Sa märkad, et need on ehitatud väga püsivateks ja jõulis teks: kuna vanad ehitusmeistrid ei saanud oma hoo neid nii täpselt välja arvutada, tegid nad kõik liht salt natuke tugevamad. Tänapäeva ehitisi saab füüsika abil täpselt välja arvutada ning tänu sellele võib ehitada mitte ainult elegantselt, vaid ka materjalisäästlikult. Isegi arvutid töötavad füüsikaseaduste järgi. Arvutid aitavad tänapäeva tehnikutel kasutada konstrueerimisel paljusid valemeid, ilma et tehnikud ise peaksid vaevama endid pliiatsi, paberi ja arvutuslükatiga, nagu ennevanasti.
Esimesed arvutavad laevaehitajad Laevakeresid on osatud välja arvutada alles umbes 150 aastat, enne seda ehitati neid tunde järgi. Colin Archer (1832–1921) arendas esimesena välja arvutusmeetodid laevakere konstrueerimiseks. Colin Archeri tehtud Norra merepäästelaevade kavandite järgi ehitatakse purjejahte tänapäevani.
Kogemuse alusel ehitatud tuuleveski.
16
Moodsad, täpselt välja arvestatud tuuleveskid.
kas teadsid?
17
sina ja füüsika
d e s u d a e s d e g n a R Füüsikas kehtivad ranged reeglid, füüsikaseadused. Neid teades saab paljude füüsikaliste protsesside tulemusi ette näha ning leiutada kasulikke tööriistu: talist arvutini. Kuna füüsikaseadused kehtivad alati, ei pea teatud sündmuste ennustamiseks olema selgeltnägija.
Füüsikaseadused on mitmekesised ning tihti nimetatud oma avastajate järgi: Ohmi seadus, Newtoni gravitatsiooniseadus, Kepleri seadused jne.
Usaldusväärsed seadused
tasub teada!
Ongi hea, et füüsikaseadused nii ranged on. Siis saab neile toetuda. See tähendab, et asjad, mis tehakse füüsikaseaduste järgi, töötavad alati, kui on õigesti konstrueeritud. Vaata näiteks pendelkella: pendlil kulub kindel aeg, et liikuda paremalt vasa kule. Kui pikk see ajavahemik on, sõltub pendli pikkusest ning seda saab isegi välja arvutada. Kuna pendel liigub füü sikaseaduse alusel alati sama kiirusega, ei tööta kell õigesti mitte juhuslikult ainult ühe korra, vaid teeb seda täna, homme ja ka aasta pärast. Ja kui tehasest tuleb palju täpselt sama suguseid kellasid, töötavad kõik need kellad samamoodi veatult.
Füüsikaseaduse avastamine Et füüsikaseadusi saaks kasutada, peab inimene need avastama. Siin võib aidata katsetamine: tehakse palju katseid, loendatakse ja mõõdetakse ning vaadatakse siis, kas leidub seaduspärasusi. Näiteks Galileo Galilei (1564–1642) sai inertsiseaduse jälile, kui ta laskis kuulil kaldpinnalt alla veereda ja mõõtis aega, mis see erinevate teepikkuste puhul kulutas.
Füüsikaseaduse tõttu on see ajanäitaja usaldusväärne.
Üksnes legend
Ei ühtki kergendavat asjaolu „Dura lex, sed lex,“ ütlesid juba vanad roomlased: „Seadus on range, kuid see on seadus.“ See kehtib füüsikaseaduste kohta kohe eriti. Kui näiteks häda tõttu toimepandud v arguse puhul võib kohus arvesse võtta kergendavaid asjaolusid, siis füüsikaseadustega nii ei ole. Gravitatsiooniseadus erandeid ei tee, isegi siis mitte, kui see, mis sul käest libiseb ja maha kukub, on ema kalleim vaas. Gravitatsiooniseadus on äraostmatu.
18
Tihti jutustatakse, kuidas Galileo Galilei viskas viltusest Pisa tornist alla esemeid, et uurida vaba langemist. See pole õige juba sellepärast, et tol ajal polnud kellasid, mis nii lühikesi kukkumisaegu oleksid s aanud täpselt mõõta. Galileo Galilei viltusel Pisa tornil: kõigest legend, kuid siiski tore lugu.
kas teadsid?
19
kang, rullikud ja kaldpinnad
Rullikud d ö ö t d a v a t s u s t lih Tänapäeval on raskete asjade liigutamise ja vedamise tarbeks olemas kraanad ja teised masinad. Vanasti polnud nii, inimesed pidid ise tohutult vaeva nägema. Äkki olid tolle aja inimestel siiski mingid nipid, kuidas raskeid koormaid natuke lihtsamini liigutada?
Ratas Lastide liigutamine rullikutel oli juba progress, kuid väga töömahukas, sest rullikuid tuli aina ümber asetada. Sellepärast tuli küllap kuskil kellelegi idee paigutada kitsas, suure läbimõõduga rullik teljele – ja ratas oligi leiutatud! Juba antiikajal Egiptuses võimaldas ratas tööd uskumatult lihtsustada.
Seal peab ikka mingi trikk olema!
Kuullaager
Vähim hõõrdumine on veerehõõrdumine
Arvatavasti liigutasid juba vanaegiptlased raskusi rullikute abiga.
Selleks, et mingi kandiline ese libiseks sinu kaldteed pidi alla, peaks kalle olema väga järsk. Kui sa aga lased kuulil alla veereda, pole kallet peaaegu üldse vaja. Veeremisel on hõõrdumine nimelt kõige väiksem. Veerehõõrdumine on palju väiksem kui seisuhõõrdumine ja liugehõõrdumine. Sellepärast asetati juba vanal ajal raskete koormate alla rullikud, et neid lihtsamalt liigutada. Ilmselt on ka egiptlased liigutanud nõnda oma püramiidide suuri ja raskeid kive.
Nagu vana-egiptlased... Vanaaja raskete koormate transporti saad sa järele proovida väiksemas mõõtkavas. Raske raamatu nihutamiseks laual läheb sul vaja teatud jõudu. Kui sa asetad aga raamatu alla kaks ümarat puupulka (või pliiatsit või kriiti), liigub see väga kergelt. Kui kasutad kolme või enamat „rullikut“, saad iga kord tagant ära võtta selle, millest raamat on üle liikunud, ning asetada uuesti raamatu ette.
84
Rula rattad on kuullaagritega, sellepärast pöörlevadki nad nii kergesti. Nii näeb kuullaager seestpoolt välja.
Lihtsa ratta rummus valitseb endiselt liugehõõrdumine ja selline ratas liigub väga raskesti. Millalgi tuldi mõttele paigutada rummu ja telje vahele kuulid, et ka ratta sees asendada liugehõõrdumine veere hõõrdumisega. Põhimõtteliselt nii toimib kuullaager. Et see aga ka päriselt töötaks, on vaja kuulide ümber nö puuri, mis neid juhiks ja üksteisest eraldi hoiaks. Muidu kaoksid su kuulid tee peal ära.
kas teadsid?
85