Krzycz gdy się sparzysz, czyli fizyka na wesoło

CIAŁO TWOJE SKŁADA SIĘ Z TRZĘSĄCEJ GALARETY

Gdy tak oto, czytelniku, siedząc spokojnie dumasz nad dziwami przyrody, to w tej sa­mej chwili uderzają w twój nos cząsteczko­we pociski z prędkościami kuli karabinowej. Czuję, że zrobiło ci się w tej chwili trochę nieprzyjemnie i może machinalnie dotknąłeś ręką nosa. Pocieszę cię, że masa tych poci­sków jest znikomo mała — 10.000.000.000.000.000.000.000.000 razy mniejsza od pocisku karabinowego, za­tem i działanie jest odpowiednio słabsze. Gdyby jednak uzyskały większą prędkość, to niewątpliwie groziłoby niebezpieczeństwo. A to się zdarza czasem, o czym zaraz będzie mowa. Odpowiedź na to pytanie znowu po­szukamy w doświadczeniu. Wystarczy wpu­ścić kroplę niebieskiego atramentu do szklan­ki czystej wody, aby po pewnym czasie za­obserwować zabarwienie całej cieczy. Wi­docznie cząsteczki atramentu (cieczy) rów­nież są w ciągłym, bezładnym ruchu, i dzię­ki tym ruchom przenikają pomiędzy czą­steczki wody. A te ostatnie, czy też przypo­minają rój pszczół? Angielskiemu botaniko­wi Brownowi udało się nawet uwidocznić ruch tych pszczół-cząsteczek wody. Wyjaśnienie jest proste. Pyłek zawieszony w wodzie przypomina bowiem dużą piłkę (kilka metrów średnicy) wśród rozbawionego tłumu lu­dzkiego. Coraz to ktoś ją popchnie, piłka posunie się kilka metrów naprzód, potem następuje nowe pchnięcie, piłka zbacza z drogi itd. itd. Piłka musi być oczywiście dostatecz­nie lekka, aby można ją było łatwo wprawić w ruch, i jednocześnie do­statecznie wielka, aby mogła być widoczna dla obserwatora nie odróżnia­jącego poszczególnych je­dnostek w tłumie. Podob­nie pyłek nie może być zbyt wielki i jednocześnie zbyt mały i dlatego zja­wisko ruchów Browna jest tak rzadko obserwowalne. I tak jak z ruchów piłki można by wnosić o ruchach jednostek tłumu, podobnie z ruchu pyłku sądzi się o ruchach cząsteczek wody.

Badania fizyków wykazały, że nie tylko cząsteczki cieczy są w ciągłym, bezładnym ruchu, ale również cząsteczki ciał stałych czynią to samo. Występuje tu jednak zasadnicza różnica. Cząsteczki ciał stałych na ogół nie wędrują w dalekie strony, jak to ma miejsce w gazach i cieczach, lecz drgają wokół miej­sca stałego pobytu. Wszak nigdy się jeszcze nie zdarzyło bez specjalnych zabiegów, aby obrączka złota, jaką może czytelniku nosisz na palcu, rozpłynęła się w tym ciele, jakby się to łatwo mogło zdarzyć, gdyby cząsteczki złota miały zupełną swobodę ruchu.

Ale, ale… Z ostatniego ustępu wynika jak gdyby, że cząsteczki organizmów żywych, cząsteczki stanowiące skórę, mięśnie i kości autora tego artykułu i jego czy­telnika również są w ciągłym ru­chu drgającym lub nawet swo­bodnym (cząsteczki krwi, limfy itd.). Czyżby to było możliwe, aby moje ciało stanowiło rój rozedrga­nych pszczół – cząsteczek? Ależ oczywiście tak! Ruchy te są tylko bezładne, skierowane w najróżno­rodniejsze strony ii dlatego jako całość ciało nie porusza się, jak­kolwiek zdaje się raczej przypo­minać trzęsącą się galaretę niż coś naprawdę statycznego. Dziwne, ale prawdziwe, albo raczej dziwne, ale stwierdzone doświad­czalnie.

MIERZYMY PRĘDKOŚĆ CZĄSTECZEK W HERBACIE

Stoją przed nami dwie szklanki herbaty. Jak stwierdzić, w której cząsteczki porusza­ją się szybciej? Zadanie niewątpliwie tru­dne, jeśli się zważy, że ani cząsteczek, ani ich ruchu nie zauważymy nawet za pomocą mikroskopu elektronowego, powiększającego 50.000 razy. Fizycy są jednak na ogół pomy­słowi i wymyślili prosty przyrząd służący do porównywania prędkości cząsteczek. Szybkościomierz (tak go nazwijmy) taki wy­obrażony jest na rysunku 5. Widzimy długą, wąską szklaną rurkę, zalutowaną u jednego końca, a u drugiego zakończoną szklaną banieczkę. W banieczce i w dolnej części rurki znajduje się rtęć. To jego bu­dowa. A działanie bardzo proste.

Gdy wstawimy „szybkościomierz“ do herbaty, cząsteczki cieczy poruszając się bezładnie poczną bombardować cząsteczki szkła i wprawią je w silniejsze drgania.

Cząsteczki szkła z kolei zaczną atakować cząsteczki rtęci, odda­dzą im część nabytej od herbaty energii i wprawią je w szybszy ruch. Cząsteczki rtęci poruszając się szybciej poczną bardziej się „rozpychać“ wzajemnie —- rozszerzy się, zwiększy swoją ob­jętość, nie będzie mogła zmieścić się w dotychczas zajętej przestrze­ni, a więc poziom rtęci wzniesie się wyżej. Wzniesienie poziomu rtęci w „szybkościomierzu“ może być zatem miarą szybkości cząste­czek herbaty. Jeśli w szklance pierwszej rtęć wzniesie się do poziomu niższego niż w drugiej, to możemy niewątpliwie twierdzić, że cząsteczki herbaty w szklance pierwszej poruszają się wolniej niż w drugiej

REWELACYJNE ODKRYCIE

Sądzę, czytelniku, że odkrycia tego sam już dokonałeś. Opisany „szybkościomierz“ to przecież zwyczajny termometr. I podobnie jak p. Jourdain w którejś tam wiośnie swego życia dowiedział się ze zdziwieniem, że mówi pro­zą, podobnie i my dowiadujemy się obecnie, że wkładając termo­metr pod pachę, mierzymy prze­ciętną szybkość cząsteczek naszego ciała. Gdy jestem chory i powiadam, że mam gorączkę, oznacza to, że cząsteczki mego ciała poruszają się szybciej niż wtedy, kiedy jestem zdrów i mam normalną temperaturę. Temperatura jakiegoś ciała jest miarą prędkości jego cząsteczek. Określenie „herbata posiada wy­soką temperaturę“ to tylko pewien sposób wysławiania się. „Cząsteczki herbaty poru­szają się szybko lub posiadają dużą energię“ jest określeniem równoważnym poprzed­niemu, ale o ileż lepiej obrazującym istotny stan rzeczy.

Ale powie niejeden, temperaturę wyzna­czamy przecież nie tylko termometrem, tem­peraturę „czujemy“ za pośrednictwem tzw. zmysłu ciepła. Dotykam np. ręką szklanki, odbieram wrażenie cie­pła; cóż to ma wspólnego z cząsteczkami i ich ruchem. Jak się okazuje, bardzo wiele. Oto czą­steczki szkła czy herbaty bom­bardują cząsteczki naszej skóry i za pośrednictwem nerwów bo­dziec dociera do mózgu, wywo­łując wrażenie ciepła. Czasem bombardowanie to jest tak silne, że powiadamy: „parzy“. A cza­sem nawet energia padających pocisków jest tak wielka, że roz­bija cząsteczki w komórkach skóry na atomy, przekształca je, powoduje różne reakcje che­miczne — powstaje tak zwane oparzenie. I wtedy słusznie by­łoby ostrzegawczo zawołać „Uwa­ga! bombardują!“