Fizyka na wakacjach. Jak dobrze chłodzić mieszkanie, kiedy babka z piasku się "lepi" i w jakich warunkach unosimy się na wodzie?

Czy fizyka przydaje się panu w codziennym życiu? Mówiąc przewrotnie, niektórzy uciekają przed nią na wakacje.
Fizyka jest cały czas wokół nas. Przed nią nie da się uciec, bo my cały czas podlegamy jej prawom. Może nie jesteśmy tego świadomi, ale jednak stąpamy po ziemi dzięki temu, że siła grawitacji nas przyciąga i dzięki temu, że występuje siła tarcia między butami a podłożem. Używamy okularów dzięki temu właśnie, że działają prawa fizyki związane z optyką, a widzimy cokolwiek także dzięki temu, że docierają do nas fale elektromagnetyczne po odbiciu od jakiegoś przedmiotu, który pochłonie ich część. Dzięki temu widzimy barwy.

Skoro rozmawiamy o fizyce na wakacjach, to może zaczniemy od wspomnianych przez pana barw. Jak wiemy, biały samochód, wolniej się nagrzewa niż czarny na słońcu. Wiemy, że to kwestia odbijania światła, ale właściwie dlaczego ta biała barwa ma takie właściwości?
To pytanie, „dlaczego barwa ma takie właściwości?”, to bardzo skomplikowana sprawa. Wiemy, że ma takie właściwości i umówiliśmy się, że taką barwę, która odbija w zasadzie większość promieniowania elektromagnetycznego, będziemy nazywali białą i tak też my ją postrzegamy. Biała barwa to mieszanina wszystkich barw, które odbijają się od tego przedmiotu i docierają do naszego oka. Czarne przedmioty pochłaniają większość promieniowania i światło od nich ciężko się odbija. Mniej go dociera do naszego oka - tym samym jeśli światło się nie odbija, to znaczy, że jest ono pochłaniane (czyli jego energia jest pochłaniana). To są właściwości fizyczne (w tym wypadku lakieru) związane ze strukturą elektronową i tym, jak dane ciało oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym, czyli ze światłem widzialnym w tym wypadku.

Problem ciepła i zimna na wakacjach to także kwestia utrzymywania odpowiedniej temperatury w mieszkaniu. Czy znajomość praw fizycznych może nas nieco ochronić przed skwarem? W niejednym domu bywały spory, czy otwierać w danej sytuacji okno, czy nie.
Co do chłodzenia naszych pokojów, ważna jest także percepcja naszego ciała związana z odczuwaniem temperatury. To, czy nam jest znośnie ciepło, czy nieznośnie ciepło, zależy nie tylko od samej temperatury powietrza, ale także jego wilgotności i ruchu. Gdy powietrze się rusza, to w momencie, kiedy się pocimy, ułatwia odparowanie z nas potu. Do parowania cieczy należy skądś pobrać energię. W przypadku potu zabiera on energię z naszego organizmu, przez to obniża się jego temperatura. Jeżeli występuje duża wilgotność powietrza, to też automatycznie pot paruje wolniej.

Czyli z dwóch gorących miejsc – lepsza sawanna w wietrzny dzień niż duszność tropików. Wróćmy jednak do tematu mieszkań.
Mieszkanie najlepiej jest schłodzić wcześnie rano - kiedy jest jeszcze chłodno, otworzyć wszystkie okna, zrobić przeciąg, aby wymienić ciepłe powietrze po całej nocy. Później należy pozamykać i pozasłaniać okna tak, żeby jak najmniej słońca docierało do środka.

Nie ma znaczenia, od której strony są te okna?
Północna strona będzie „chłodniejsza”, ponieważ tam słońce nie będzie operowało natomiast temperatura powietrza z jednej i z drugiej strony de facto nie będzie się różniła. Tak jak wspomniałem - najlepiej zrobić z mieszkania twierdzę lub "termos" i zrezygnować z ewentualnego ruchu powietrza albo go wymusić sztucznie. Jeżeli już musimy coś takiego zrobić (np. wywietrzyć), to najlepiej wtedy ustawić sobie wentylator w oknie, ale w przeciwną stronę tak, aby wydmuchiwał powietrze na zewnątrz. Wtedy ta ilość ciepła, która się dostanie do środka, będzie zminimalizowana.

Widzę, że u pana w mieszkaniu naprawdę można odpocząć od lipcowych upałów (śmiech). Jaka jest różnica wentylatorem a klimatyzacją?
Wentylator tylko wymusza ruch powietrza (co usprawnia pocenie). Klimatyzacja może z kolei także zmieniać jego temperaturę. W uproszczeniu działa jak lodówka, która chłodzi powietrze przepływające przez urządzenie i rozprowadza je po pomieszczeniu. Natomiast w przypadku wentylatora należy pamiętać, że górne warstwy powietrza będą cieplejsze aniżeli dolne na skutek konwekcji. Wentylator może je przemieszać i w ten sposób także odczujemy zmianę temperatury na niższą.

Na wakacjach nie siedzimy jednak ciągle w mieszkaniu. Nawet tutaj, w aglomeracji, są kąpieliska i małe plaże. Co musi od strony fizycznej się stać, żeby zrobić babkę z piasku? Wiadomo, że piasek musi być mokry, aby babka wyszła, ale czy fizycy badali, jakie muszą być konkretne parametry wilgotności?
Ależ oczywiście! Może niekoniecznie badania zajmowały się stricte babkami z piasku, ale dotyczyły tego, kiedy skarpy mogą zacząć się osuwać: przy jakiej wilgotności, nachyleniu itd. To są bardzo poważne badania, ponieważ dotyczą zagrożenia ludzkiego życia. Jeżeli buduje się drogi przy takich skarpach ziemnych, trzeba wiedzieć, czy piasek się nie osunie i nie trzeba ich wzmacniać. Oprócz wspomnianej wilgotności i kąta nachylenia, na spójność materiału wpływa także rodzaj gleby lub piasku, średnica ziarna, skład, występujące kamienie. To wszystko jest bardzo skomplikowaną fizyką. Mamy też drugą stronę medalu – przy jakiej wilgotności zacznie powstawać błoto i jak „chłonny jest grunt”.

Badania mogą wpłynąć również na ochronę przyrody i wydm. Roślinność również „związuje” glebę. Co do piasku – kiedyś w końcu kończymy się wygrzewać i wchodzimy do wody. Morze potrafi wyrzucić różne rzeczy na ląd, a jednocześnie co roku dochodzi do utopień. Jak to jest z tą wypornością?
Utopić się można nawet w szklance wody, a nawet, jak niektórzy mawiają, w łyżce. Jeżeli chodzi o wyporność człowieka, to oczywiście im większe zasolenie, tym ta wyporność będzie większa.

Dlaczego tak się dzieje?
Jest to związane z prawem Archimedesa. Mówiąc pokrótce, wszystko zależy od gęstości ciała zanurzonego w cieczy i gęstości tej cieczy. Im ta ciecz będzie miała większą gęstość względem gęstości ciała zanurzonego, tym łatwiej będzie wypierała dane ciało. Nasz organizm w przybliżeniu ma średnią gęstość nieco mniejszą aniżeli gęstość wody. Mamy taką "lekką ,dodatnią pływalność" - kiedy położymy się na wodzie i zrelaksowani weźmiemy powietrze w płuca, będziemy się na powierzchni wody unosić. Jeżeli okaże się, że zachłyśniemy się tą wodą i ona trafi do naszych płuc, wtedy nasza dodatnia pływalność zmienia się na ujemną i idziemy na dno.

Najłatwiej położyć się „na wodzie” w Morzu Martwym. Jest coś jeszcze (oprócz koła ratunkowego i rękawków), co od strony praw fizyki zwiększa wyporność?
Wspominałem o średniej gęstości ciała - przeciętny człowiek z powietrzem w płucach ma ją lekko dodatnią. W przypadku osób, które mają swoją własną "piankę izolacyjną" w postaci tkanki tłuszczowej, ich wyporność się zwiększa. Tkanka tłuszczowa ma mniejszą gęstość aniżeli tkanka mięśniowa, więc im jej więcej, tym łatwiej takiemu człowiekowi unosić się na wodzie.

Ostatnie pytanie będzie związane ze sportem. Jak działają przerzutki w naszych rowerach?
To też jest fizyka, która nas otacza. Przerzutki i działanie roweru, to maszyny proste i przekładnia zębata. Każdy chyba kojarzy zębatki, które się obracają - jedna szybciej, druga wolniej, w zależności od tego czy jest większa czy mniejsza. Tak więc my mamy pewną siłę, którą musimy przyłożyć do pedału. Mamy ramię siły, czyli długość korbowodu tego pedału. W zależności od tego, jaki mamy promień tej naszej zębatki, taki mamy moment siły, jak to fizycy nazywają. Wszystko zależy też od przełożeń z tyłu – jest spora liczba kombinacji tych układów. Im większe koła zębate z tyłu, tym łatwiej się pedałuje, ale musimy się „nakręcić”. Coś jest kosztem czegoś innego. Możemy także w ten sposób ustawić przerzutki, że wykonujemy mniej obrotów, ale z większą siłą. To zasada związana z pracą - pokonując wzniesienie, zawsze musimy wykonać taką samą pracę. Robimy albo łatwiej ale musimy się więcej napedałować albo trudniej przy małej liczbie obrotów pedałów.

dr hab. Dariusz Kajewski, prof. UŚ na co dzień zajmuje się badaniami materiałów funkcjonalnych w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego oraz popularyzacją nauk ścisłych.