Padá pírko stejně rychle jako kus železa? Jak kde.

Když současně pustíme železnou kouli a pírko, dopadne koule dříve. Jeden nádherný a přímo geniálně prostý pokus odlišuje dva faktory, které tady působí. A může si jej vyzkoušet každý. Stačí mít doma dva skládací deštníky.

Problém pádu různých těles analyzoval a poprvé správně vyřešil Galileo Galilei. I mnozí géniové před ním si mysleli, že co je těžší, padá rychleji, což nám také našeptává naše praktická zkušenost. Pověst tvrdí, že Galileo na správné řešení přišel tak, že shazoval různé předměty z šikmé věže v Pise. Ale vypadá to, že to není pravda, neboť historicky je doloženo, že k analýze působení gravitace používal spíše nakloněnou rovinu, tedy jen mírně nakloněnou? Proč mírně nakloněnou? To si vysvětlíme později. Ale teď k tomu geniálnímu nápadu s deštníky.

Vezměte si dva identické skládací deštníky, které jsou přesně stejně těžké. A pusťte je současně z okna nebo z mostu. Pochopitelně dopadnou v naprosto stejný okamžik. A teď svůj pokus upravte, a jeden z nich otevřete, a pak teprve oba pusťte současně dolů. Pochopitelně ten otevřený dopadne podstatně později. Je tedy jasné, že rozdíl nebyl způsoben rozdílnou váhou deštníků, ale rozdílnými tvary, které mají různý odpor vzduchu.  Rychlost pádu všech těles v gravitačním poli je tedy stejná, ať mají jakoukoliv hmotnost / váhu. A rozdíly může způsobovat pouze odpor vzduchu?

Výše popsaný krásně názorný příklad prezentoval britský fyzik a popularizátor Al-Khalili ve videu níže. Koukněte od času 2:30.

Ale přímo na vlastní oči se můžete přesvědčit o tom, že pírko padá ve vakuu stejně rychle (a se stejným zrychlením) jako třeba těžké kladivo, opět v Al-Khaliliho videu. V roce 1971 totiž tento pokus udělal na Měsíci americký astronaut a záznam toho pokusu najdete ve videu výše v čase 3:15.

Nebo můžete totéž a mnohem zřetelněji shlédnout v následujícím nádherném videu britského fyzika a popularizátora Briana Coxe. Je to tentýž pokus: pustit současně něco těžkého a současně něco lehkého, tady peří, tentokráte ale v největší vakuové komoře světa, kde vše vidíte daleko lépe než "na Měsíci". Shlédnout to můžete ve videu níže v čase 2:50. Je to opravdu fascinující. Chcete-li začít sledovat video s tímtéž pádem, ale za přítomnosti vzduchu, začněte sledování v čase 1:05.

A ještě více fascinující je vysvětlení stejné rychlosti a stejného zrychlení všech těles v gravitačním poli. Chovají se totiž naprosto stejně, a to proto, že se vůbec nepohybují, ale stojí na místě! Tento nejšťastnější nápad Einsteinova života, jak ho sám Albert označil, se nazývá princip ekvivalence, a je ústřední myšlenkou jeho mistrovského díla, obecné teorie relativity. (Princip ekvivalence říká, že zrychlení v gravitačním poli, když např. stojíme na zemi, je fyzikálně totéž jak zrychlení způsobené silou, třeba raketovými motory. Nebo, že volný pád v gravitačním poli je fyzikálně totéž jako vznášení se v beztížném stavu.)

Kdyby totiž kolem věcí padajících ve vakuu nebyla ona vakuová komora či Země, ani by nás nenapadlo, že se předměty pohybují, protože bychom se pohybovali, neboli lépe řečeno stáli na jednom místě, přesně jako ony. Ona se totiž spíše "pohybuje Země vůči prostoru", máme-li to říci názorně, leč poněkud nepřesně. Nicméně si můžeme situaci představit, jako když držíme kus dřeva v proudu vody před vodopádem. Dřevo rozráží proud. Ale jakmile jej pustíme, pluje kus dřeva spolu s proudem a je vůči vodě už v klidu. Nebo se můžeme vrátit k pokusu s peřím, a pochopit, že cokoliv padá ve vakuu společně s váhou, neváží na této váze vůbec nic.

Když už všemu rozumíme, můžeme si vysvětlit, proč Galileo k výzkumu zemské tíže používal právě jen mírně nakloněnou rovinu. Je to proto, že při volném pádu těžká tělesa rychle získají velkou rychlost, při níž jsou ale silně brzděna velkým odporem vzduchu. Na velmi pozvolné šikmé rovině se tělesa pohybují dosti pomalu, takže se dá odpor vzduchu zanedbat. Aby to bylo jasné, představte si třeba polystyrénovou a železnou kouli, kterou hodíte z ona, a pak tytéž, které pustíte po zmíněné nakloněné rovině. Jak probíhaly tyto Galileiho pokusy můžete vidět v Al-Khaliliho videu výše od času 4:50.

Když se vrátíme k původním dojmu z pádu lehkých a těžkých těles, je jasné, že nás naše běžná intuice klame. Běžně bychom třeba ze své zkušenosti řekli, že se Země neotáčí, ale Slunce obíhá Zemi. Až ve škole se dovíme, že pohyb Slunce je zdánlivý a že je to rotace Země, která vytváří východy a západu Slunce. O tom si můžete zapřemýšlet ve výkladu rotace Země v blogu Kterak zařídit, aby zítra nevyšlo Slunce. A jestli vás ještě zajímají geniální Galileiho úvahy související s jeho pokusy s nakloněnou rovinou, kterými přišel na zákon setrvačnosti, zkuste blog Génius si poradí i bez vyspělé techniky.

(druhý název Pochopte základní ideu obecné relativity za pár minut)