Szybkość w przyrodzie i technice

Na Ziemi i we Wszechświecie jest wiele ciał, które poruszają się np. planety, planetoidy, gwiazdy, statki kosmiczne, satelity. Wszystko się porusza i ma swoją prędkość, lecz ulega ona zmianie, ponieważ w innej temperaturze i o innym ciśnieniu gaz i ciecz nie zachowują się zawsze tak samo. Gdy jest ciepło cząsteczki poruszają się szybciej niż gdy temperatura jest niska. Na pozór nieruchome przedmioty są zawsze w ruchu, jeżeli przyjmiemy odpowiedni układ odniesienia. Spoczynek jest to pojęcie względne, gdyż chcąc ustalić czy drzewo jest w spoczynku możemy obrać za punkty odniesienia dom i Słońce. Drzewo będzie w spoczynku lecz tylko względem domu. Biorąc za punkt odniesienia Słońce, będzie ono w ruchu, gdyż porusza się wraz z Ziemią. Ziemia w swoim ruchu orbitalnym porusza się z prędkością około 100000 km/h.

Prędkość to podstawowa wielkość wektorowa, charakteryzująca ruch, jest oznaczona symbolem v, a zdefiniowana jako pochodna wektora położenia r po czasie t: v= dr/dt. W układzie SI jednostką prędkości jest m/s. W przyrodzie ciągle porusza się materia organiczna. Zwierzęta, ludzie, woda, Ziemia - każde z tych przykładów ma swój ruch. Prędkości w przyrodzie bywają różne, od bardzo niewielkich trudnych do zauważenia w danej chwili, aż po niewyobrażalnie duże. Na Ziemi nie tylko porusza się człowiek, zwierzęta, ale też wiatr oraz cząsteczki w powietrzu.

Prędkość światła to prędkość rozchodzenia się sygnału świetlnego, jest to prędkość paczki fal elektromagnetycznych. W próżni prędkość światła wynosi c = 299792458 m/s. Zgodnie z teorią względności wielkość ta nie zależy od długości fali, kierunku jej rozchodzenia się, ani względnej prędkości źródła światła i obserwatora, czyli ma tę samą wartość w różnych inercjalnych układach odniesienia i stanowi jedną z uniwersalnych stałych fizycznych. Prędkość światła w próżni jest największą prędkością, z jaką może być przenoszona energia (sygnał). Cząstki obdarzone masą nie mogą jej osiągnąć. Nie znaczy to, że w ośrodkach materialnych prędkość np. cząstki naładowanej nie może być większa od prędkości fazowej (różnej od prędkości grupowej) światła w tym ośrodku. Przypadek ten zachodzi przy powstawaniu promieniowania Czerenkowa (jest jego przyczyną). Pierwsze oceny prędkości światła w próżni podali duński astronom O. Romer (1676) i ang. astronom J. Bradley (1727). Pierwszy pomiar laboratoryjny prędkości światła wykonał francuzki fizyk A.H. Fizeau (1849).

Prędkość dźwięku. W związku ze spadkiem temperatury i ciśnienia atmosferycznego prędkość dźwięku maleje ze wzrostem wysokości lotu (o 10 km/h co 696 m wysokości) i wynosi przy ziemi 1224 km/h, a 1066 km/h na wysokości 11 000 m, powyżej której już nie maleje.

Kosmiczna prędkość jest to prędkość jaką trzeba nadać ciału, aby nie spadło z powrotem na Ziemię lub na inne ciało niebieskie, z którego zostało wyrzucone.

Pierwsza prędkość kosmiczna (tzw. prędkość kołowa) jest najmniejszą prędkością, jaką należy nadać ciału względem środka masy przyciągającego je ciała niebieskiego w kierunku równoległym do jego powierzchni, aby dane ciało stało się sztucznym satelitą tego ciała niebieskiego. Wartość pierwszej prędkości kosmicznej jest różna dla różnych ciał niebieskich, zależy od ich masy, a także od odległości od ośrodka masy ciała (czyli także od odległości od jego powierzchni). W pobliżu Ziemi (pomijając wpływ atmosfery) pierwsza prędkość kosmiczna wynosi ok. 7,9 km/s. W praktyce ze względu na występowanie atmosfery obiekt może utrzymać się na orbicie kołowej dopiero na wysokości ponad 100 km. Na tej wysokości prędkość kołowa jest nieco mniejsza i wynosi 7,8 km/s.

Druga prędkość kosmiczna (tzw. prędkość paraboliczna), zw. też prędkością ucieczki, jest najmniejszą prędkością początkową, jaką należy nadać ciału znajdującemu się w pobliżu innego ciała niebieskiego, aby (przy braku działania innych sił poza siłą ciążenia) przezwyciężyło no na zawsze pole siły przyciągania tegoż ciała i po wejściu na orbitę paraboliczną mogło się od niego oddalić. Wartość drugiej prędkości kosmicznej również zależy od masy i odległości od środka ciała przyciągającego. Za wartość charakteryzującą drugą prędkość kosmiczną przyjmuje się wartość odpowiadającą oddaleniu od środka ciała przyciągającego, równemu jego średniemu promieniowi. Dla Ziemi tuż przy jej powierzchni druga prędkość kosmiczna wynosi 11,2 km/s.

Trzecia prędkość kosmiczna jest najmniejszą prędkością początkową, przy której ciało (np. statek kosmiczny), rozpoczynając ruch w pobliżu planety lub innego ciała Układu Słonecznego, przezwycięży przyciąganie całego Układu (w szczególności Słońca) i go opuści. Jest to prędkość w praktyce odpowiadająca prędkości ucieczki względem Słońca. Prędkość ta przy powierzchni Ziemi wynosi ok. 42 km/s. Wobec jej ruchu obiegowego wokół Słońca wystarczy przy starcie z jej powierzchni w kierunku zgodnym z tym ruchem nadać obiektowi prędkość 16,7 km/s, by opuścił on Układ Słoneczny.
Czwarta prędkość kosmiczna jest najmniejszą prędkością, której osiągnięcie umożliwi opuszczenie na zawsze galaktyki. W okolicach Słońca (Układu Słonecznego) prędkość ta wynosi ok. 350 km/s.

Słoneczny wiatr to strumień naładowanych cząstek wypływających w przestrzeń międzyplanetarną z korony słonecznej. Składa się głównie z protonów poruszających się z prędkościami od 250 do 800 km/s. Słoneczny wiatr wywołuje zaburzenia pola magnetycznego Ziemi (tzw. burze magnetyczne), odpowiada również za odchylanie warkoczy komet. Istnienie słonecznego wiatru przewidzieli astronomowie L. Biermann i E.N. Perker na początku lat 50. XX w., potwierdzenie doświadczalne przyniosły badania satelitarne 1959-1962 (Łuna 2 i 3, Mariner 2).

Zwierzęta są tak szybkie jak w dzisiejszych czasach samochody osobowe, potrafią osiągnąć nawet większe prędkości np. w powietrzu są sokoły wędrowne przy ataku potrafią osiągać do 360 km/h. Gepard - najszybsze zwierzę na lądzie, osiąga prędkość do 119 km/h w czasie polowania.

W wodzie najszybszym zwierzęciem jest żaglica osiąga prędkość od 100 km/h do130 km/h.

Potrzeba poruszania się w coraz szybszy i łatwiejszy sposób zastanawiała inżynierów od bardzo dawna, wynaleziono koło, wozy itp. przedmioty. Samochody mogą osiągać coraz większe prędkości. Kilkadziesiąt lat temu pojazdy poruszały się z prędkością 40 km/h. W dzisiejszych czasach maksymalna prędkość używanych na co dzień samochodów wynosi do 260 km/h. Specjalnie zaprojektowane pojazdy osiągają szybkość powyżej 1000 km/h.
Odkąd człowiek wynalazł koło próbuje się poruszać coraz szybciej i pobija coraz to nowsze rekordy prędkości za Ziemi.

Najszybszy pociąg osobowy osiąga średnią prędkość 330 km/h. Samoloty są obecnie najszybszym źródłem lokomocji dostępnym zwykłemu człowiekowi. Przekraczają one prędkość dźwięku (prędkość dźwięku 1 mach) Najszybszy samolot pasażerski to Concord osiąga szybkość 1,3 macha. Najszybsze są jednak samoloty wojskowe osiągają 1,6 macha np. myśliwiec F-18. Mach to jednostka prędkości równa prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu przy temp. 15^oC i ciśnieniu 1 Atm.; 1 M = 340 m/s = 1224 km/godz.; stosowana gł. do określania prędkości samolotów. Nazwa od nazwiska fizyka E. Macha.

Na orbitę pozaziemska i okołoziemska wyprowadzają nas rakiety które pokonują kolejno I, II i III prędkość kosmiczna. Wynoszą na orbitę inne statki i satelity.

Przyrząd do pomiaru prędkości kątowej lub liniowej; do pomiaru średniej prędkości kątowej służą obrotomierze, a do bezpośredniego pomiaru chwilowej prędkości kątowej tachometry; do pomiarów prędkości liniowej służą prędkościomierze oparte zwykle na proporcjonalności prędkości liniowej do prędkości kątowej określonego elementu, np. w samochodach - wałka głównego skrzynki biegów; tę samą zasadę wykorzystuje się w niektórych p. do pomiaru prędkości płynów (np. w anemometrach mechanicznych i młynkach hydrometrycznych); w charakterze przyrządu do pomiaru prędkości płynów stosuje się także zwężki pomiarowe i rurki spiętrzające.

W przyrodzie wszystko się porusza, i ma swoja prędkość. Prędkość jest to podstawowa jednostka wektorowa, oznaczona symbolem v. Największą prędkością w przyrodzie jest światło, które porusza się z szybkością ok. 300000 km/s. Do niedawna nie osiągalna była również prędkość dźwięku, pokonały ją samoloty odrzutowe. Cząsteczki poruszają się z bardzo dużą prędkością np. wodór - 1696 m/s. Niektóre zwierzęta poruszają się z prędkością aut osobowych (do 260 km/h) np. gepard osiąga 123 km/h, natomiast w środowisku wodnym żaglica -100 km/h do 130 km/h. W powietrzu bije rekordy prędkości sokół wędrowny. W momencie ataku rozwija prędkość 360 km/h. Samochody w dzisiejszych czasach nie tworzy się tylko dla potrzeby poruszania się, ale by pobijać rekordy prędkości: Richard Noble w 1983 roku osiągną 1019,4 km/h. Pociągi też wspinają się ku doskonałości w dziedzinie prędkości najszybsze z nich osiągają średnio 330 km/h. Samoloty pokonały barierę dźwięku i podróżują z prędkością 1,3 macha, samoloty wojskowe 1,6 macha. Prędkościomierz służy do pomiaru prędkości, do pomiaru średniej prędkości kątowej służy obrotomierz, a do pomiaru chwilowej prędkości kątowej tachometr.