35. DE ZWAARTEKRACHT EN HET VALLEN.

Wij moeten nu van den hemel eerst weer naar de aarde terugkeeren.

Want wanneer wij dieper in de oorzaken van de bewegingen der

hemellichamen willen doordringen, moeten wij eerst de bewegingen van

de dingen om ons heen nauwkeurig onderzoeken. Dit onderzoek, dat de

grondslagen tot de mechanica, de wetenschap der beweging, heeft

gelegd, is het werk geweest van de 17de eeuw.

Als wij een steen uit de hand loslaten, valt hij naar beneden, naar

de aarde toe. Waarom? Omdat hij "zwaar" is. Dat hij zwaar is, voelen

wij als wij hem op de vlakke hand laten rusten; het is of hij door

een kracht naar beneden getrokken wordt, en aan deze kracht

gehoorzaamt hij, wanneer de hand hem loslaat; dan valt hij. Wat er

bij dit vallen gebeurt, moeten we nu wat precieser nagaan.

Iedereen, die op 't vallen van een steen let, bemerkt licht, dat hij

langzaam begint en dan hoe langer hoe sneller valt. Valt de steen

uit een bovenverdieping of van een toren, dan treft hij de aarde met

veel grooter kracht, dan wanneer wij hem uit de hand laten vallen,

terwijl wij op den vlakken grond staan. Maar alles gaat zoo snel,

dat het haast niet mogelijk is, de verschijnselen nauwkeurig en

oplettend waar te nemen. Daarom gebruiken wij een hulpmiddel, dat

het eerst door _Galilei_ toegepast werd. Laat men een knikker over

een schuine plank naar beneden rollen, dan begint hij ook eerst

langzaam en krijgt vervolgens steeds grooter vaart. Maar niet

zooveel als een vrij naar beneden vallende steen. Hij wordt ook wel

door zijn zwaarte naar beneden getrokken, maar niet door zijn volle

zwaarte; 't grootste deel van zijn zwaarte drukt hem tegen de plank

aan, en slechts een klein deel trekt hem langs de plank naar

beneden.

Dat dit werkelijk zoo is, kan men door een proef gemakkelijk

vaststellen.

[Illustratie]

Op een schuine plank, die een glad hellend vlak vormt, staat een

zeer lichtloopend wagentje, dat vastzit aan een touw, dat boven aan

de plank over een rolletje loopt en een gewicht (of een schaal met

gewichtjes) draagt. Is dit gewicht klein, dan rolt het wagentje naar

beneden en trekt het gewichtje op; is daarentegen het gewicht groot,

dan trekt het den wagen naar boven; blijft alles in rust, dan

trekken gewichtje en wagentje even sterk aan het touw, ze houden

elkaar in evenwicht, en de grootte van het gewichtje geeft aan, met

welke kracht het wagentje door zijn eigen gewicht naar beneden

getrokken wordt. Wij zien dan -- wat iedereen trouwens wel weet --

dat die kracht des te grooter is, naarmate de plank schuiner staat.

De proeven wijzen uit, dat de kracht -- dus het gewichtje, dat den

wagen in rust houdt -- tot het geheele gewicht van het wagentje

staat, als de hoogte C B van de schuine plank staat tot haar lengte

C A. Weegt het wagentje een pond, is de plank 2 meter lang en staat

het eene eind 4 cM. (1/50 van 2 meter) hooger dan het andere, dan is

de kracht, die den wagen langs de plank naar beneden trekt, slechts

1/50 pond.

Men kan dus de kracht, die het wagentje (of een knikker) aan 't

rollen brengt, zoo klein maken als men wil, door de plank meer of

minder scheef te stellen. En dan gaat alles zooveel langzamer, dat

men het op zijn gemak kan waarnemen en meten -- dit was ook de

reden, waarom Galilei het hellend vlak gebruikte. Wij stellen dus de

plank van 2 M. lengte zóó, dat het eene eind 4 cM. hooger dan het

andere staat, en laten daar een knikker af rollen. Wij laten den

knikker los, precies op het oogenblik dat de klok tikt, en zien dan

waar hij bij elken volgenden tik gekomen is. Het blijkt dan, dat de

knikker in de eerste sekonde 10 centimeter doorloopt, in de tweede

sekonde 30, in de derde 50, in de vierde sekonde 70 centimeter. Zoo

vinden wij de door Galilei ontdekte wet: _beweegt zich een voorwerp

door zijn zwaarte naar beneden, dan legt het in opvolgende gelijke

tijdsruimten afstanden af, die zich verhouden als de op elkaar

volgende oneven getallen_. De snelheid neemt daarbij regelmatig toe;

midden in elk van deze tijdsruimten komt ze met het gemiddelde van

de geheele tijdruimtes overeen: dus 1/2, 1 1/2, 2 1/2, 3 1/2 sekonde

na het loslaten klimt de snelheid als de getallen 1, 3, 5, 7 enz.

Midden daartusschen in, bij het begin en einde van elke sekonde,

ligt de snelheid daar juist tusschen; dus 1, 2, 3, 4 sekonden na het

loslaten heeft zij de waarden 2, 4, 6, 8 bereikt. In de eerste

sekonde is de snelheid van 0 tot 2 toegenomen (gemiddeld 1); in de

tweede sekonde van 2 tot 4 (gemiddeld 3); in de derde sekonde van 4

tot 6 (gemiddeld 5). In _iedere sekonde vergroot de kracht, die het

voorwerp naar beneden trekt, de snelheid met eenzelfde bedrag_. Wij

kunnen het karakter van deze beweging nog anders uitdrukken, door

nl. naar den geheelen afgelegden weg te vragen. In de eerste sekonde

is een weg 1 afgelegd, in de 2de sekonde komt er 3 bij, maakt samen

4; na 3 sekonden is de weg 4 + 5 == 9; na 4 sekonden 9 + 7 == 16.

Deze getallen zijn juist de tweede machten van 1, 2, 3 en 4. Dat is

geen toeval; want wanneer wij alle tweede machten naast elkaar

schrijven: 0 1 4 9 16 25 36 49, dan zien wij, dat hun

verschillen 1 3 5 7 9 11 13 juist de reeks der oneven getallen

vormen. _De afgelegde weg neemt dus met de tweede macht van den

tijdsduur der beweging toe_.

Wat verandert er nu bij onze proef, wanneer wij de plank schuiner

stellen? De wet van Galilei blijft nog altijd gelden, maar de

snelheden en de afgelegde afstanden worden des te grooter, naarmate

de plank sterker helt en dus de kracht, die den knikker naar beneden

trekt, grooter is. Wordt de hooge kant tweemaal zooveel, dus 8 cM.

hooger dan de lage kant gesteld, dan legt de knikker in de eerste

sekonde 20, in de tweede 60 cM. af, dus tweemaal zooveel als bij de

eerste proef. Stellen we de plank aan den hoogen kant 40 cM. hoog,

dus 10 maal zooveel als bij de eerste proef, dan zijn alle snelheden

ook 10 maal zoo groot: in de eerste sekonde wordt dan 1 Meter

doorloopen. In dit geval is de kracht, die den knikker naar beneden

doet rollen, 1/5 van zijn geheele zwaarte (want 40 cM. is 1/5 van 2

M.). Wij mogen aannemen, dat dit alles precies zoo blijft gelden,

wanneer wij de plank steeds steiler en ten slotte zuiver loodrecht

stellen, zoodat de knikker dan heelemaal niet meer rolt, maar vrij

naar beneden valt. Dan moet de afstand, dien hij in de eerste

sekonde valt, 5 maal zoo groot zijn als bij de laatste en 50 maal

zoo groot als bij de eerste proef, dus 5 meter. Dat dit werkelijk

uitkomt, kan door een proef gemakkelijk bevestigd worden. Laat men

een steen van een hoogte van 1 + 3 + 5 maal 5 meter, dus van 45

meter vallen, dan komt hij juist in 3 sekonden beneden. Nauwkeurige

metingen hebben voor de valhoogte in de eerste sekonde het bedrag

van 490 cM. opgeleverd.

Zulk een beweging, waarbij de snelheid regelmatig grooter wordt,

heet een _gelijkmatig versnelde beweging_. Was er geen kracht, die

het voorwerp naar beneden trok, en was dit, zonder inwerking van

buiten, geheel aan zichzelf overgelaten, dan zou het, zooals wij

vroeger vonden, steeds dezelfde snelheid behouden. De versnelling

van zijn beweging is een gevolg van de kracht, die het omlaag trekt

en zijn snelheid vergroot. Is deze kracht het gewicht van het

voorwerp zelf, valt het dus vrij naar beneden, dan neemt de snelheid

elke sekonde 2 x 5 meter toe:_de versnelling bij het vrije vallen

bedraagt 10 meter_ (nauwkeuriger 981 cM). Rolt het voorwerp langs

een schuin vlak naar beneden, dan is de versnelling in dezelfde mate

kleiner als de kracht, die er de oorzaak van is.

Zoo hebben wij de wet vastgesteld, die het vallen der voorwerpen

beheerscht. Maar heelemaal in orde is dit toch nog niet. Wij hebben

hier van het vallen der dingen in 't algemeen gesproken, alsof dat

bij alle lichamen precies hetzelfde is. Uit onze dagelijksche

ervaring weten wij echter, dat dit niet uitkomt; een donsveertje

blijft zweven, een dun blaadje papier daalt langzaam, terwijl zware

steenen veel sneller vallen. In de natuurleer van Aristoteles waren

deze feiten in de stelling samengevat, dat de dingen des te sneller

vallen, naarmate ze zwaarder zijn. Tot in de 16de eeuw gold deze

stelling als onaantastbare waarheid, totdat Galilei haar onjuistheid

aantoonde. Wanneer wij zulk een donsveertje of een blaadje zijpapier

tot een balletje samenkneden, vallen ze even snel als een steentje;

en toch zijn ze niets zwaarder geworden. Letten wij er echter op,

hoe een dun papier valt, al heen en weer zwaaiend, dan wordt het

dadelijk duidelijk, dat het de weerstand van de lucht is, die zijn

val tegenhoudt en verlangzaamt; wordt het tot een balletje

samengeperst, dan heeft de lucht er niet meer zooveel vat op en kan

het niet meer zoo tegenhouden. _Door den weerstand van de lucht

vallen lichte voorwerpen, die haar een grooter oppervlak bieden,

slechts langzaam naar beneden_. Was er geen lucht, dan zouden alle

dingen, licht of zwaar, even snel vallen. Dat dit werkelijk zoo is,

kon een halve eeuw na Galilei, nadat de luchtpomp uitgevonden was,

door een proef bevestigd worden. Doet men in een lange, wijde buis

een veertje en een stukje lood, en pompt men dan de buis luchtledig,

dan blijkt, wanneer men de buis omkeert, tegen alle gewone ervaring,

dat het veertje even snel naar beneden valt als het stukje lood. _De

boven afgeleide valwetten van Galilei gelden dus inderdaad voor alle

voorwerpen, maar alleen in een ruimte zonder lucht_. In de lucht

wordt de beweging door haar weerstand gewijzigd. Bij zware

voorwerpen bemerken wij weliswaar op het eerste gezicht niets van

dien weerstand; maar daar treedt hij toch ook op, wanneer zij uit

groote hoogte, dus met groote snelheid naar beneden storten. Dan

groeit de weerstand van de lucht zoo geweldig, dat hij op 't laatst

de zwaartekracht evenaart; dan neemt de snelheid verder niet meer

toe. _Ieder ding, dat in de lucht valt, verkrijgt ten laatste een

eindsnelheid, die des te grooter is, naarmate het lichaam zwaarder

is met betrekking tot het oppervlak, waarop de luchtweerstand

werkt_. Bij een veertje is die eindsnelheid zoo klein, dat wij het

eerste aangroeien van de beweging niet eens bemerken. Waterdruppels

bereiken die eindsnelheid slechts, wanneer ze uit de hooge wolken

naar beneden vallen, en ieder weet, dat fijne motregen langzamer

valt dan groote droppen. De nog zwaardere en grootere hagelkorrels

vernielen door hun geweldige vaart het koren en slaan door

glasruiten heen; was er echter geen weerstandbiedende lucht, dan

zouden zij, en trouwens de regendruppels ook, nog veel vernielender

op de planten neerkomen.

Tot nog toe hebben wij alleen over de valbeweging gesproken. Maar de

meeste bewegingen, die wij in onze omgeving opmerken, zijn veel

minder eenvoudig. Wanneer wij met een steen gooien, zien wij, dat

hij eerst in de richting voortvliegt, waarin de hand hem

voortslingerde; dan echter krijgt de zwaarte steeds meer macht over

hem, en in een wijden boog valt hij op den grond neer. Staan wij aan

den rand van een diep dal, dan valt hij daarin steeds sneller en op

't laatst nagenoeg loodrecht naar beneden. Aristoteles heeft in zijn

natuurleer voor deze verschijnselen een bijzonder eenvoudige en voor

de hand liggende verklaring gegeven. Alle dingen hebben daarin,

zooals wij ons herinneren, hun "natuurlijke" beweging, die ze naar

de plaats brengt, waar ze behooren; voor zware lichamen is deze

natuurlijke beweging recht naar beneden, naar 't middelpunt der

aarde gericht, Worden ze nu door vreemde inwerkingen "gewelddadig"

in een andere richting bewogen, geworpen of geschoten, dan moeten ze

eerst wel aan dezen impuls gehoorzamen; langzamerhand echter wordt

die kracht uitgeput en de natuurlijke beweging treedt meer en meer

in haar plaats. Deze voorstellingswijze past zoo voortreffelijk bij

wat de ervaring ons leert, dat het groote moeite heeft gekost haar

door iets beters te vervangen. Eerst door zeer nauwkeurig waar te

nemen wat bij zulke bewegingen gebeurt, kon haar onjuistheid

blijken.

Wij leggen een knikker op tafel en geven hem een flinken stoot.

Zoolang de tafel hem draagt, rolt hij, afgezien van eenige

vertraging door de wrijving, met gelijkmatige snelheid horizontaal

voort. Bereikt hij dan den rand van de tafel, dan vliegt hij in een

boog verder, steeds steiler naar beneden, tot hij op den grond valt.

Begint daarbij eerst na eenigen tijd zijn "natuurlijke" valbeweging?

Neen; zoodra hij over den rand is en niet meer door de tafel

gedragen wordt, begint hij te vallen; maar natuurlijk, evenals al

het vallen, eerst heel langzaam en dan steeds sneller. _De

natuurlijke valbeweging treedt niet langzamerhand eerst op, maar

vindt plaats van het eerste oogenblik af, dat hij niet meer

ondersteund wordt_, juist zooals wanneer hij van den tafelrand recht

naar beneden valt. Doordat de valbeweging steeds sneller wordt,

wordt de richting der beweging aldoor steiler; maar volkomen

loodrecht wordt ze niet; de knikker komt onder het vallen steeds

verder van de tafel af. _De beweging door den oorspronkelijken stoot

wordt niet uitgeput, maar blijft voortbestaan_.

[Illustratie]

In de werkelijke beweging treedt niet de eene soort beweging, de

"natuurlijke", langzamerhand in de plaats van de andere, die door

uiterlijk geweld, b.v. door een stoot bewerkt wordt; beide zijn ze

van 't begin af aan aanwezig, van het oogenblik af dat de knikker

aan den rand gekomen is; beide blijven ze ook bestaan, en te zamen

bewerken zij de werkelijke beweging. Deze beweging is een kombinatie

van twee eenvoudige bewegingen, die ieder op zich zelf zóó plaats

vinden, alsof de andere er niet was. Was de eerste beweging er

alleen, zonder dat de knikker vallen kon -- b.v. wanneer de tafel

grooter was geweest -- dan was hij na gelijke tusschentijden

achtereenvolgens in a1, a2, a3, a4 gekomen. Was hij eenvoudig van

den tafelrand naar beneden gevallen, zonder horizontale beweging,

dan was hij na dezelfde tijdsruimten in b1, b2, b3, b4 gekomen.

Doordat de knikker beide bewegingen tegelijk uitvoert, komt hij

achtereenvolgens in c1, c2, c3, c4; de beweging, die horizontaal

begon, wordt steeds sneller en steeds steiler, en zoo ontstaat de

schijn, dat de eene beweging uitdooft en de andere er voor in de

plaats komt.

Op die manier toonde Galilei aan (in een in 1638 verschenen werk vat

hij al deze onderzoekingen samen) wat sindsdien als grondslag der

mechanika geldt; _dat een lichaam als het ware twee (of meer)

bewegingen tegelijk kan hebben, die elk haar eigen wet volgen en

wier samenvoeging eerst de werkelijk beweging geeft_. Elke nog zoo

ingewikkelde beweging kan volgens dit principe in de eenvoudige

bewegingen, waaruit zij opgebouwd is, ontbonden en zoo verklaard

worden.

Wanneer wij een steen recht omhoog gooien -- b.v. met een snelheid

van 20 M. per sekonde -- dan begint hij dadelijk te vallen, en deze

valbeweging vertraagt eerst de opstijgende beweging en doet haar

vervolgens omkeeren. Door den eersten impuls alleen zou de snelheid

zijn:

na 0 1 2 3 4 sekonden

20 20 20 20 20 M. omhoog;

door het vallen daarentegen:

0 10 20 30 40 M. naar beneden;

dus is de werkelijke snelheid:

20 10 M. omhoog 0 10 20 M. omlaag.

Na 2 sekonden is dus het hoogste punt bereikt en begint het dalen.

De afgelegde weg zou zijn, door de eerste werpsnelheid alleen:

De Wonderbouw der Wereld · 第 50 / 64 题