Niestety, co roku w Polsce przy przejściach kolejowych na poziomie drogi publicznej dochodzi do około 200 wypadków, które kończą się tragicznie dla części osób.
Siła grawitacji i jej wpływ na nasze ciało
Zanim przejdziemy do analizy kolizji, spojrzyjmy na siłę, z którą najczęściej stykamy się i cały czas się mierzymy. Mówimy o sile grawitacji, która wynika z faktu, że posiadamy masę, a Ziemia również posiada masę.
Oddziałujemy na siebie dzięki grawitacji, czyli przyciągamy się z określoną siłą. Siłę tę możemy zmierzyć wagą, np. kuchenną, która mierzy nacisk wyrażony w niutonach, ale wynik podawany jest w kilogramach, czyli w jednostkach masy.
Różnica między masą a ciężarem
W codziennej mowie powszechnie, ale błędnie mówi się o masie i wadze jako synonimach. Masa jest właściwością obiektu, która pozostaje stała niezależnie od tego, czy znajdujemy się na Ziemi, czy w kosmosie.
Ciężar jest natomiast siłą, z którą przyciąga nas ciało niebieskie. W pobliżu powierzchni Ziemi 1 kg jest wszędzie przyciągany siłą około 10 N, co pozwala na kalibrację wag w taki sposób, aby pokazywały wyniki w kilogramach zamiast niutonach.
Zasada akcji i reakcji Newtona
Należy wspomnieć o wzajemności oddziaływań. Ponieważ Ziemia przyciąga nas z dokładnie taką samą siłą, z jaką my przyciągamy Ziemię, można znaleźć na wadze, że my "wagujemy" określoną ilość kilogramów, a Ziemia "waguje" tę samą ilość na nas.
Mamy różne masy, ale siła, z którą przyciągamy się wzajemnie, jest jedna i ta sama. Wynika to z trzeciej zasady dynamiki Newtona, czasem nazywanej również zasadą akcji i reakcji, która jest niezbędna do zrozumienia tego, co dzieje się podczas kolizji.
Dlaczego upadamy na Ziemię, a nie Ziemia na nas?
Odczuwamy nasz ciężar, czyli siłę, z którą naciskamy podłogę, ponieważ podłoga naciska nas z taką samą siłą, ale skierowaną przeciwnie. Odczuwamy to na pośladkach, gdy siedzimy, lub na stopach, gdy stoimy.
Decyduje o tym druga zasada dynamiki Newtona. Im większą masą posiada obiekt, tym większa siła powinna działać na niego, aby doprowadzić go do ruchu. Nasza masa jest mikroskopijna w porównaniu do ogromnej masy Ziemi, co sprawia, że jest znacznie łatwiej poruszyć nas niż poruszyć Ziemię.
Fizyka skoku i lądowania
Jeśli na wadze lekko się skoczymy, zobaczymy, że wskazania tarczy są inne. Gdy stajemy nieruchomie na wadze, naciskamy ją siłą równą ciężarowi naszego ciała, a wtedy wskazania są poprawne.
Gdy skaczemy, naciskamy wagę mocniej, aby nadać masie przyspieszenie. Gdy lądujemy, naciskamy wagę mocniej, aby zwolnić nasze ciało. Siła jest konieczna zarówno do przyspieszania, jak i do zatrzymywania masy.
Redukcja sił podczas upadku
Przyspieszanie i zwalnianie to dwie strony tego samego medalu. Aby skoczyć, musimy dosłownie pokonać siłę grawitacji Ziemi i nadać naszemu ciału prędkość w krótkim czasie.
Im dłużej przyspieszamy i im dłużej zwalniamy, tym mniejsze wartości siły odczuwamy. Dlatego parkuromi wykonują przewrot do przodu lub zginają kolana po skoku, aby rozłożyć upadek w czasie i nadać ciału dłuższy odległość hamowania.
Wnioski dotyczące bezpieczeństwa na torach
Tymczasowe zwiększenie ciężaru odczuwane przez nasze ciało nazywa się ciężarem grawitacyjnym. Nasze ciała źle znoszą duże przyspieszenia lub zwalnianie w krótkim czasie, co przypomina jazdę na kolejkach górskich.
Standardowa dozwolona prędkość samochodu w mieście, czyli 50 km/h, to prawie 14 m/s. Podczas kolizji samochód o takiej masie zderzający się z pociągem ma znacznie mniejszą szansę na przeżycie niż myślimy, co potwierdzają statystyki o 200 wypadkach rocznie.