Egy lépegető rugó (slinky) segítségével mutatjuk be neked, hogy hogyan is működik a mechanikai információk terjedése.

A slinky, vagy hivatalos magyar nevén lépegető rugó, egy népszerű játék, amivel sokan találkoztunk a gyerekkorunkban. Alapvetően egy hengerrugóról van szó, amely a kialakítása lévén képes arra, hogy lefelé menet fokonként végigsétáljon a lépcsőn. Most ezt a játékot egy kísérletben képzeljük el.

Megfogjuk a slinky egyik végét és engedjük, hogy kinyúljon a rugó és felvegye az egyensúlyi helyzetét (azaz megvárjuk, hogy ne rugózzon). Ezek után a függőleges helyzetű rugó felső végét elengedjük, és a leesik a talajra a slinky. De hogyan indul meg az esés?

Nagyjából ilyesmiket tippelhet az utca embere:

• A slinky a hosszát megtartva esik lefelé
• A slinky alja és teteje is megindul lefelé, de a teteje gyorsabban. Azaz rövidül a rugó.
• A slinky teteje elindul lefelé, de az alja helyben marad.

Ezek közül az utolsó állítás igaz. Ha nem hiszed, akkor nézd meg az alábbi videót! A videó alatt elmagyarázzuk, hogy mi történik!

A kulcspont az információterjedés. Bár általában azt érezzük, hogy minden információ pillanatszerűen terjed, ez közel sem igaz.

A fény vagy egyéb mágneses hullámok legfeljebb fénysebességgel terjednek, így egy lámpa bekapcsolása és az általunk való érzékelés között annyi idő telik el, amennyi idő alatt a lámpa és a szemünk közti távolságot megteszi a fény. Ez egy igen rövid idő, de itt sem azonnal jutunk az információhoz.

A mechanikai hullámok, mint például a hang, hangsebességgel terjednek. A hangsebességet jól meg lehet figyelni mennydörgés esetén. A villám fényét hamar észleljük, mivel a fénysebesség nagyságrendekkel nagyobb, mint a hangsebesség. Ennek megfelelően a hang később ér hozzánk, mint a fény.

Az összes mechanikai információ hangsebességgel terjed, mivel hullámként, pontról-pontra terjed az információ. A hangsebesség anyagtulajdonság, függ a közegtől is. Erről bővebben olvashatsz egy korábbi cikkünkben ide kattintva.

Érdemes visszatérni a példánkhoz. Kezdetben fogjuk a rugót, ami egyensúlyban van. Ez azt jelenti, hogy a rugóra ható gravitáció és az általunk kifejtett erő egymással egyenlő. Sőt, a rugó összes pontjában egyensúly van, azaz az adott pont alatti részre ható gravitációs erő és a felülről, a kezünk irányából ható húzóerő egyenlő egymással.

Amikor elengedjük a rugót, akkor a rugó felső pontja azonnal „tudja”, hogy el lett engedve. Ez a pont elindul lefelé. Viszont az alsó vég még nem tudja, hogy a felső vég el lett engedve. Az elengedésről szóló információ szépen megy hangsebességgel a rugóban, de körbe-körbe kell mennie a geometria miatt, kifejezetten hosszú utat megtéve. Az alsó pont pedig egészen addig áll, amíg le nem ér az információ, mivel addig a pillanatig azt „hiszi”, hogy egyensúly van. Maga a megfogalmazás leegyszerűsített, de a folyamat valóban így zajlik.

A videóban szereplő ejtés esetén nagyon különleges a geometria. A rugó alsó pontja egészen addig áll, amíg a rugó teljesen össze nem záródik. Ennek nem feltétlenül kéne így lennie. Ez csak azért alakul így, mivel több időbe kerül hangsebességgel megtenni a rugó anyagában megtenni a két vég közötti utat, mint amennyi idő alatt a felső pont a gravitáció miatt az alsó pont magasságába ér függőleges mozgással. Általánosan annyi igaz, hogy az alsó pont nem kezd el rögtön lefelé esni.

A megfigyelés kiterjeszthető más jelenségekre is. Akár légnemű, akár folyékony, akár szilárd közegben, csak hangsebességgel terjed az információhullám. Legyen akármilyen elvont is ez a jelenség, gyakorlati szempontból is érdekes lehet ez. Például a gyártósorok gyorsaságának fejlődését is korlátozhatja az, ha a műveleti sebességek megközelítik a hangsebességet. Egyre nehezebb lesz megoldani a precíz mechanikai műveletvégzést. Mi mindenesetre kíváncsian várjuk az erre a problémára születő megoldásokat!