Klíčové kompetence ve výuce na základní škole a gymnáziu

Situaci žákům zjednodušíme předpokladem, že kosmická loď s kosmonauty
se pohybuje rovnoměrným pohybem po kruhové trajektorii
v takové vzdálenosti od Země, kde můžeme zanedbat odporové síly
způsobené pohybem v zemské atmosféře.
Problém budeme řešit ve vztažné soustavě spojené se Zemí, kterou
můžeme považovat za inerciální vztažnou soustavu. Žáci by měli
z předchozí výuky vědět, že rovnoměrný pohyb po kružnici je způsoben
dostředivou silou, která podle 2. pohybového zákona uděluje
pohybujícímu se tělesu dostředivé zrychlení. Jedná se tedy o pohyb
se zrychlením. Učitel vede žáky k tomu, aby pochopili, že dostředivou
silou je v tomto případě síla gravitační a dostředivé zrychlení je rovno
zrychlení gravitačnímu.
Na základě poznatků, které
si již žáci osvojili, s nimi postupně
hodnotit navrhovaná
řešení, aby dobře porozuměli
výběru správného řešení.
Pro žáky bude asi překvapující, že na kosmonauta působí gravitační
síla a přesto je kosmonaut v beztížném stavu. Obvykle je totiž beztížný
stav běžně spojován s tím, že na těleso nepůsobí žádná síla, respektive
že výslednice působících sil je nulová. Žáci zde ale najednou
vidí, že těleso je v beztížném stavu a síla na něj přesto působí. Nutno
tudíž s nimi tento problém podrobně rozebrat a dát jim příležitost
k diskuzi o něm. A učitel by měl následně pozornost žáků soustředit
na shrnutí zjištěných poznatků o stavu beztíže z hlediska inerciální
vztažné soustavy: Těleso je v beztížném stavu, jestliže na ně působí
jen gravitační síla; přitom se těleso pohybuje se zrychlením rovným
gravitačnímu zrychlení. 32 Jak „překvapující“ může pro žáky být správná
fyzikální interpretace daného jevu ve srovnání s jeho neodbornou
interpretací, s níž se žáci často setkávají, např. v běžných médiích. Učí
se i novým poznatkům, jež mohou využít pro své další poznávání. Přitom
si uvědomují, že používají stále 2. pohybový zákon a poznávají
tak jeho důležitost 33 .
32 Popis beztížného stavu by byl poněkud odlišný, kdybychom vztažnou soustavu spojili např.
s kosmonautem. Tato soustava je neinerciální, ale kosmonaut vzhledem k ní nemění rychlost,
tedy nemá vzhledem k ní zrychlení. Gravitační síla však na něj stále působí. To přece porušuje
druhý Newtonův zákon. Vysvětlení spočívá v existenci tzv. setrvačné síly, působící v neinerciální
vztažné soustavě na kosmonauta. Vzhledem k tomu, že kosmonaut nemá vzhledem
k této neinerciální soustavě zrychlení, musí setrvačná síla v daném případě být opačně orientována
než gravitační síla a mít s ní stejnou velikost. Jen tak se totiž obě síly ve svém účinku
na kosmonauta ruší, jejich výslednice v této vztažné soustavě je nulová a nulové je i jeho
zrychlení. Všimněme si ale, že i v posledně uvedené neinerciální soustavě platí, že těleso je
v ní v beztížném stavu, působí-li na něj jako reálná síla (tedy síla způsobená tělesy či fyzikálními
poli) pouze síla gravitační.
V RVP G se však pojem neinerciální soustavy ani setrvačné síly nevyskytuje, a nepatří tak
do povinné výuky fyziky. V tomto směru je už jen na učiteli, zda bude problematiku beztížného
stavu tělesa z hlediska neinerciální soustavy rozebírat.
33 Někdy se beztížný stav tělesa přirovnává ke stavu, kdy se těleso vznáší, resp. plove
v tekutině. Toto ovšem není případ beztížného stavu v tom smyslu, jak jsme o něm mluvili
výše. Na těleso v daném případě působí totiž v inerciální vztažné soustavě dvě reálné síly
(vztlaková a gravitační, resp. při zjednodušení tíhová), které se ve svém účinku ruší, a jejich
výslednice je tak nulová. Těleso má pak vzhledem k inerciální soustavě nulové zrychlení, což
neplatí ovšem pro beztížný stav tělesa. Při něm má vždy těleso vzhledem k inerciální soustavě
zrychlení rovné gravitačnímu (při zjednodušení tíhovému) zrychlení.
– 49 –