Typowe drogi zatrzymywania pojazdu

Droga zatrzymania pojazdu podczas gwałtownego hamowania składa się z drogi reakcji kierowcy oraz drogi hamowania. Droga reakcji wynika z pewnego stałego czasu upływającego pomiędzy dostrzeżeniem przeszkody a naciśnięciem hamulca nosi nazwę czasu reakcji. Przeciętny czas reakcji kierowcy wynosi od 0,7 do 1,0 sekundy. Tylko osoby o szczególnych predyspozycjach psychicznych, wypoczęte i absolutnie skoncentrowane są wstanie skrócić ten czas do około 0,3 sekundy. Ponieważ drogę liczymy jako iloczyn prędkości i czasu, to droga reakcji jest więc wprost proporcjonalna do prędkości pojazdu.
Droga hamowania zależy proporcjonalnie od kwadratu prędkości (przy stałej sile hamowania można to wyprowadzić przyrównując energię kinetyczną z pracą sił tarcia) i dlatego wraz z prędkością wzrasta ona bardzo gwałtownie. Tak ważne jest więc zmniejszenie prędkości w obszarze zabudowanym, gdzie możliwe jest nagłe pojawienie się przeszkody lub istoty żywej. Oczywiście droga hamowania zależy od maksymalnej wartości siły tarcia statycznego. Siła ta zależy od obu powierzchni stykających się, czyli od rodzaju nawierzchni jezdni (asfalt, kostka kamienna, beton itp.), stanu nawierzchni (sucha, mokra, ośnieżona, gołoledź, posypana piaskiem, grysem) oraz stanu technicznego pojazdu (ogumienia, sprawności układu hamulcowego).

Samochód na zakręcie

Aby ciało poruszało się po okręgu, siła wypadkowa wszystkich działających sił na ciało musi być zwzócona do środka okręgu. Tę wypadkową siłę nazywamy siłą dośrodkową. Wartość siły dośrodkowej jest wprost proporcjonalna do kwadratu prędkości, a odwrotnie proporcjonalna do promienia krzywizny łuku okręgu. Oznacza to, że jeśli prędkość wzrośnie dwa razy to siła dośrodkowa musi być cztery razy większa, gdy natomiast promień wzrasta dwa razy to siła dośrodkowa maleje dwa razy.
W ruchu samochodu na zakręcie rolę tej siły odgrywają przy płaskim torze siły tarcia statycznego działające na koła samochodu. Tarcie statyczne nie może przyjmować dowolnej wartości i dla danych stykających się powierzchni ma wartość maksymalną. Przy dużych prędkościach siła ta nie jest więc wystarczająca do "utrzymania" pojazdu po torze kołowym. Aby samochód nie wyleciał z zakrętu bardzo ważne jest zmniejszenie prędkości przed wejściem pojazdu w zakręt.
Kierowcy rajdowemu zależy aby prędkość pokonywania zakrętu była jak największa. Wartość siły dośrodkowej nie może przekroczyć maksymalnej wartości siły tarcia między oponami, więc aby zwiększyć prędkość należy zwiększyć promień łuku po którym porusza się samochód. W tym celu kierowca ścina zakręt czyli zaczyna ruch od zewnętrznej części zakrętu, w połowie zakrętu dociąga do wewnętrznej, a na koniec wypuszcza samochód ponownie do zewnętrznej krawędzi jezdni.

Siła odśrodkowa

W układzie nieinercjalnym (jest to układ, w którym nie obowiązują zasady dynamiki np. układ poruszający się ruchem zmiennym lub krzywoliniowym) wprowadzamy siły bezwładności zwrócone przeciwnie do sił wywołujących ruch. Są to siły pozorne ułatwiające tłumaczenie zjawisk, których w rzeczywistości nie ma. W ruchu po okręgu jest to siła odśrodkowa bezwładności zwrócona na zewnątrz okręgu. Jadąc samochodem na zakręcie odczuwamy, że "wyrzuca" nas na zewnątrz łuku. W układzie inercjalnym związanym ze spoczywającym otoczeniem powiemy, iż aby zatoczyć łuk musi działać siłą dośrodkowa np. siła poręczy którą trzymamy lub siedzenia. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki reakcją na tą siłę jest siła z jaką działamy na tą poręcz lub siedzenie zwrócona na zewnątrz okręgu.

Pokonywanie zakrętu

Aby zapobiec "wylatywaniu" z zakrętu i ułatwić szybką jazdę wykonuje się tor pochylony w stronę środka krzywizny. Tor musi być tak wyprofilowany aby wypadkowa siły odśrodkowej bezwładności i siły ciężkości była prostopadła do toru. Jednoślady (rowerzyści i motocykliści) w czasie pokonywania zakrętów pochylają się ku środkowi. Aby wtedy nie poczuć szarpnięcia wypadkowa siły ciężkości i siły odśrodkowej bezwładności musi być skierowana wzdłuż pojazdu.
Oczywiście opisujemy te przykłady w układzie nieinercjalnym.

Powierzchnia wirującego naczynia z cieczą

Jeśli ciecz zostanie wprawiona w ruch obrotowy to powierzchnia cieczy przyjmuje kształt paraboloidy obrotowej czyli powierzchni powstałej na skutek obrotu paraboli. Można to zademonstrować wieszając butelkę częściowo napełnioną wodą na sznurku, następnie skręcić silnie sznurek i puścić. Butelka wiruje wtedy wokół osi pionowej z dużą prędkością kątową i powierzchnia przyjmuje kształt paraboloidy zmieniającej się wraz z ustawaniem ruchu obrotowego. Taki eksperyment został opisany i przedstawiony na filmie Powierzchnia wirującej wody w butelce w dziale "Doświadczenia Domowe".
W dawnych wesołych miasteczkach znajdowały się obracające się pomieszczenia z podłogą w kształcie paraboloidy obrotowej, do których wpuszczano jednocześnie kilka osób. Kiedy urządzenie obracało się z odpowiednią prędkością kątową, ludzie ci mogli po nim swobodnie chodzić i w każdym miejscu stać prostopadle do podłogi.

Kontrola radarowa

Zjawisko Dopplera polega na zmianie częstotliwości fali podczas wzajemnej zmiany położenia źródła fali i odbiornika. Jeżeli źródło fali się oddala to częstotliwość odbieranego sygnału od jest niższa, gdy źródło fali się zbliża to częstotliwość odbierana przez odbiornik jest wyższa. Wykorzystywane jest to w przyrządach do odczytu prędkości poruszającego się pojazdu. Fala radarowa z nadajnika odbija się od pojazdu i powraca do urządzenia pomiarowego, które mierzy zmianę częstotliwości odbitej fali. Wartość zmiany częstotliwości zależy od szybkości poruszającego się obiektu, co umożliwia bezpośredni odczyt szybkości. Metoda ta również stosowana jest w meteorologii do wykrywania chmur, prędkości przesuwania się chmur i ruchu powietrza.

Zjawisko Dopplera zachodzi także dla fali świetlnej. Wykorzystuje się to do pomiaru prędkości radialnej (wzdłuż prostej łączącej nas z badanym obiektem) obiektów astronomicznych. Jeśli źródło świata oddala się to częstotliwość jest niższa i widmo (obraz światła po rozłożeniu na poszczególne kolory) przesunięte jest w stronę fal długich (długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości) czyli podczerwieni. Jeśli częstotliwość jest wyższa po przesunięcie następuje ku nadfioletowi. Okazuje się, że prawie wszystkie dalsze obiekty astronomiczne mają widmo przesunięte ku podczerwieni i czym dalej są odległe to ich prędkość jest większa. Stąd wniosek, że Wszechświat się rozszerza.

Fala uderzeniowa

Fala uderzeniowa powstaje zawsze, gdy przedmiot wytwarzający falę porusza się szybciej od niej. Przed źródłem nie ma fali bo źródło wyprzedza wytworzone przez siebie fale. W obszarze za źródłem istnieje fala o obniżonej częstotliwości co wynika z efektu Dopplera. Z nałożenia się na siebie fal wyemitowanych w kolejnych chwilach czasu powstaje fala w kształcie trójkąta (w dwóch wymiarach) lub stożka (w trzech wymiarach) o bardzo dużej amplitudzie i nieokreślonej częstotliwości. W przypadku lecącego samolotu z prędkością naddźwiękową najpierw słyszymy huk, odpowiadający fali uderzeniowej, a potem warkot, gdy

Fala dziobowa, towarzysząca motorówce poruszającej się z prędkością większą od prędkości fal na wodzie

znajdziemy się w obszarze stożka "za źródłem". Taką falę można zobaczyć na wodzie za poruszającą się łódką czy też motorówką i wtedy nazywamy ją falą dziobową. Występuje ona również podczas uderzenia pioruna, wybuchu bomby lub gwałtownych zaburzeń w płynie.

Trzask bicza to również skutek powstawania fali uderzeniowej. Aby strzelić należy wykonać spokojny ruch rękojeścią rozprostowujący rzemień, a następnie gwałtownie zmienić kierunek ruchu rękojeści co nadaje bardzo duże przyspieszenie końcówce bicza. Ruch ten można wykonać zarówno nad głową jak i przed sobą. W końcowym etapie przyspieszania, trwającym około 850 mikrosekund, jego prędkość

Końcówka postrzępionego bicza

wzrasta od 340 m/s do około 750 m/s (czyli aż 2700km/h), czyli ponad dwa razy więcej niż prędkość dźwięku w powietrzu (prędkość dźwięku wynosi 340m/s). Powstaje więc wtedy fala uderzeniowa i słyszymy trzask. Przyspieszenie wtedy jest prawie 50 000 razy większe od przyspieszenia ziemskiego. Oznacza to, że jego fragment o masie 1 grama odrywany jest z siłą, jakiej trzeba użyć, by podnieść przedmiot o masie 50 kilogramów. Jeśli przyjrzeć się biczowi to po kilku strzałach widać postrzępioną końcówkę co potwierdza działanie tak dużych sił.
Więcej informacji wyjaśniających powstawanie trzasku bicza można przeczytać na stronie http://www.if.uj.edu.pl/Foton/85/pdf/bicz.pdf lub w artykule "Fizyka trzasku bicza" z numeru 9/2003 czasopisma Wiedza i Życie.