Wielkie eksperymenty dla małych ludzi

Nie dość, że aby opisać poczynania wielkich naukowców, musiał się wgryźć w historię nauki od starożytności aż po czasy współczesne – od Archimedesa, przez Galileusza, Newtona i Darwina, po Paula Harrisa, to jeszcze jego dom zamienił się w jedno wielkie laboratorium.

W kredensie i lodówce pojawiły się doniczki z kwiatami, na parapecie zamieszkały dżdżownice, w salonie walały się elektromagnesy, a w łazience moczyły się w occie kości i muszle. Kto by pomyślał, że autor, przygotowując książkę, musi skakać ze stołu, puszczać papierowe samoloty i opryskiwać się wodą z węża ogrodowego.

Ale Mikołuszko nie mógł przecież namawiać dzieci do robienia eksperymentów, których sam by nie przetestował! Uff, ciężka jest praca pisarza. Ale jaka ciekawa! A efekt? Zobaczcie sami.

P.S A sceny z życia pomysłowych naukowców i dzielnego Wojciecha Mikołuszki narysowała Joanna Rzezak.

Naukowiec na golasa, czyli jak w wodzie zmienia się ciężar

Czas: około 265 rok p.n.e.
Miejsce: Syrakuzy, grecka kolonia na wyspie Sycylia (dziś Włochy)
Eksperymentator: Archimedes

To od tego dorosłego mężczyzny, który wybiegł nago na miejską ulicę, zaczyna się oficjalna historia eksperymentów naukowych.
Pomysł przyszedł mu do głowy podczas kąpieli w łaźni. Wyskakując z niej, by popędzić do domu, był tak przejęty, że zapomniał założyć ubranie. Do tego zamiast przemknąć przez miasto cicho, krzyczał na cały głos: „Znalazłem! Znalazłem!”. W języku greckim, jakim się posługiwał, brzmiało to „Heureka!” albo też „Eureka!”. Dlatego do dziś tego słowa używa się jako symbolu odkrycia naukowego – zwłaszcza dokonanego w wyniku eksperymentu.
Oczywiście przed szaleńczym biegiem Archimedesa ludzie też eksperymentowali. Nawet jeśli – jak małe dzieci – nie zdawali sobie z tego sprawy. Bez eksperymentów nie powstałyby łuk, rolnictwo ani most. Ktoś kiedyś musiał przecież sprawdzić, jaka strzała najlepiej dociera do celu, jak ułożyć cegły w moście, by nie zapadły się pod ciężarem człowieka, oraz nasiona jakich roślin nadają się do uprawy i jedzenia. Ale gdy pierwsi naukowcy porządkowali wiedzę i ustalali zasady, na jakich należy zdobywać nowe informacje, to – nie wiedzieć czemu – zlekceważyli eksperymenty. Działo się to około 2,5 tysiąca lat temu w kraju, który nazywamy starożytną Grecją. Nie używano jeszcze wtedy słowa „naukowiec”. Tych, którzy zajmowali się badaniem przyrody, określano tak samo jak wszystkie inne osoby poszukujące prawdy: „filozofami”, czyli „miłośnikami mądrości”. Jednym z najsłynniejszych spośród nich był Arystoteles, człowiek wielkiej pracowitości, mądrości i wiedzy. Opisywał zarówno zwierzęta czy prawa ruchu, jak i rozum ludzki, duszę, naturę dobra oraz Boga. Był tak sławny, że przez setki lat nikt nie odważył się podważać jego poglądów. Niesłusznie. Nawet tak wielki uczony jak Arystoteles się mylił. A udało się to udowodnić między innymi dzięki eksperymentom (o wielu z nich przeczytasz w kolejnych rozdziałach tej książki). Wagę eksperymentów w badaniach przyrodniczych docenił uczony, który żył sto lat po Arystotelesie. Nazywał się właśnie Archimedes i zamieszkiwał greckie miasto Syrakuzy. Z powodu swej wiedzy i pomysłowości już jako młody człowiek cieszył się wielkim uznaniem. Pewnego razu wezwał go do siebie nowy król Syrakuz, Hieron II. Władca był wściekły. Nieco wcześniej poprosił rzemieślnika, by zrobił mu złotą koronę. W tym celu odważył ściśle określoną ilość tego cennego metalu. Złotnik spełnił żądanie króla – ukończone dzieło wyglądało ślicznie. Niestety, władcy doniesiono, że rzemieślnik ukradł część przekazanego mu złota, resztę zaś wymieszał z tańszym srebrem i dopiero z takiej mieszanki wykonał koronę. Król chciał, by Archimedes sprawdził, czy rzeczywiście to prawda. Zabronił mu jednak niszczenia choćby kawałka pięknie wykonanej korony. Uczony, który nie miał pojęcia, jak spełnić prośbę, poszedł odprężyć się do miejskiej łaźni. Tam rozebrał się i wszedł do napełnionej po brzegi wanny. Im bardziej się zanurzał, tym więcej wody się wylewało.
Gdy to spostrzegł, nagle wpadł na pomysł, jak przeprowadzić eksperyment, który wykaże, z czego wykonana jest korona. Uradowany wyskoczył z wanny i wybiegł nago na ulicę, krzycząc sławetne: „Znalazłem! Znalazłem!”.
Jak tylko dotarł do domu, przygotował jeden kawałek złota i drugi srebra. Oba ważyły dokładnie tyle samo co królewska korona. Następnie wybrał naczynie i napełnił je po brzegi wodą. Potem włożył do niego kawałek srebra i zmierzył ilość wody, jaka wypłynęła.
Ponownie napełnił naczynie wodą i zanurzył w nim kawałek złota. Mimo że bryłka tego metalu ważyła dokładnie tyle samo co grudka srebra, tym razem z naczynia wypłynęła mniejsza ilość wody.
To oznaczało, że kawałki złota i srebra o identycznym ciężarze różnią się wielkością. Dzisiaj mówimy, że mają różną gęstość. Gdy Archimedes to odkrył, przeszedł do ostatniej, najważniejszej części swojego eksperymentu. Do tego samego naczynia, ponownie napełnionego po brzegi, włożył królewską koronę. Tym razem ilość wody, jaka się wylała, była pośrednia – mniejsza niż po zanurzeniu srebra, ale większa niż po zanurzeniu złota.
Korona musiała zatem być wykonana z mieszanki obu metali. Złotnik rzeczywiście oszukał króla!
Pierwszy skutek eksperymentu to ukaranie złodziejskiego rzemieślnika. Dużo ważniejsze było jednak odkrycie nieznanego dotychczas prawa przyrody, które potem nazwano prawem Archimedesa. To ono wyjaśnia, dlaczego ciężkie statki unoszą się na powierzchni oraz co ma zrobić płetwonurek, by się zanurzyć, a potem wynurzyć z powrotem.
Ale chyba najważniejsze stało się wykazanie przez Archimedesa, że eksperyment jest niezbędny do poznawania świata. W pełni doceniono to jednak setki lat później. Dopiero wtedy rozpoczęła się era eksperymentów, które obaliły wiele poglądów Arystotelesa i odkryły nowe, zaskakujące prawa przyrody. Wiele z tych wielkich doświadczeń można dziś łatwo powtórzyć w domu. Tylko proszę – jeśli dzięki temu odkryjecie nowe prawo przyrody, nie wybiegajcie w skąpym stroju na ulicę. Nie we wszystkim warto naśladować wielkich uczonych.

Eksperymentuj jak Archimedes, by odkryć, co się dzieje, gdy zanurzymy coś w wodzie

Prawo Archimedesa
Dokładne słowa, jakimi opisuje się prawo Archimedesa, zmieniały się przez stulecia. Często brzmiały one tak: „ciało zanurzone traci pozornie na ciężarze tyle, ile wyparta przez nie ciecz lub gaz”. Najlepiej to wyjaśnić na przykładzie. Wyobraźmy sobie kulę, która waży dwa kilogramy. Gdy włożymy ją do naczynia wypełnionego po brzegi, to część wody zostanie wyparta przez kulę i wyleje się z pojemnika. Załóżmy, że to, co się wylało, waży dokładnie jeden kilogram. To oznacza, że ciężar naszej kuli, włożonej do wody, o tyle też się zmniejszył. Gdybyśmy ją zważyli pod wodą, miałaby ciężar nie dwóch, lecz jednego kilograma (bo dwa odjąć jeden to jeden).

Eksperyment 2
Co tonie, co pływa?

Przygotuj naczynie wypełnione wodą. Wrzucaj do niego rozmaite przedmioty ze swego otoczenia – jakie ci tylko rodzice pozwolą. Mogą to być zabawki, kamyki, patyki, szyszki. Obserwuj, które z nich toną, a które unoszą się na powierzchni wody.

Eksperyment 3
Ile wody wypłynie?

1. Przygotuj szklankę, wodę, ziemniak, plastelinę i wagę.
2. Szklankę napełnij po brzegi wodą.
3. Dokładnie zważ ziemniak, po czym przygotuj bryłkę z plasteliny o dokładnie takiej samej wadze.
4. Włóż ziemniak do szklanki z wodą, a gdy woda się wyleje, delikatnie (na przykład widelcem lub łyżką) go wyjmij.
5. Zaznacz flamastrem na szklance poziom pozostałej wody.
6. Szklankę ponownie napełnij wodą po brzegi.
7. Teraz wrzuć do szklanki plastelinę, a gdy woda się wyleje, delikatnie wyjmij bryłkę.
8. Zaznacz flamastrem poziom pozostałej wody.
9. Czy w obu przypadkach wylało się dokładnie tyle samo wody? Jeśli nie, to które ciało – ziemniak czy plastelinowa bryłka – wyparło więcej wody?
Ten sam eksperyment możesz wykonać, wykorzystując zamiast ziemniaka kamień lub inny dowolny przedmiot.

Eksperyment 4
Plastelinowa łódka

1. Przygotuj duże pudełko plasteliny.
2. Ulep z niej łódeczkę (pamiętaj, by w pokładzie i burtach nie było żadnych dziur!).
3. Puść ją na wodę. Pływa czy tonie?
4. Następnie do tej łódki wkładaj rozmaite rzeczy – jakie tylko ci rodzice pozwolą. Mogą to być kamyki, kostki, kulki, spinacze, zabawki. Obserwuj, co się dzieje z łódką. Czy zanurzyła się głębiej? Czy utonęła?
5. Na koniec wyjmij łódkę z wody i zgnieć ją w kulkę. Ponownie połóż ją na wodzie. Czy teraz się unosi, czy tonie? Jak myślisz, dlaczego?

Eksperyment 5
Kiedy pływa, kiedy tonie?

1. Przygotuj dwie szklanki – do obu nalej wody, ale do jednej czystej, a do drugiej bardzo mocno posłodzonej lub posolonej (co najmniej pięcioma łyżeczkami).
2. Do obu szklanek wrzuć surowe jajko w skorupce. W której wodzie jajko pływa, a w której tonie? Jak myślisz, skąd te różnice?
3. Do szklanki z jajkiem zanurzonym w mocno posłodzonej lub posolonej wodzie dolej teraz czystej wody. Staraj się to jednak robić delikatnie – tak by czysta woda nie mieszała się z wodą posłodzoną (lub posoloną). Możesz to sobie ułatwić, wlewając wodę za pośrednictwem łyżeczki, którą najlepiej oprzeć o brzeg szklanki (tuż poniżej krawędzi).
4. Gdy szklanka będzie pełna, w jej dolnej części powinna się znaleźć posłodzona (lub posolona) woda, a w górnej – czysta. Gdzie znajduje się teraz jajko: na dnie, na górze czy w środku? Jak myślisz, dlaczego?
Ten sam eksperyment możesz wykonać, wykorzystując winogrona zamiast jajek.

Zrozum swój eksperyment

1. Rozmaite przedmioty mogą mieć różną gęstość, czyli ta sama ich objętość (na przykład jeden litr) może ważyć więcej lub mniej.
2. To oznacza też, że przedmioty o takiej samej masie (na przykład jednego kilograma), ale różnej gęstości zajmują różną objętość.
3. Przedmioty o gęstości większej od wody toną, a o gęstości mniejszej od wody unoszą się na jej powierzchni.
4. Przedmiot, który tonie w wodzie, wypiera jej część, co w pełnym naczyniu widać w postaci wylewającej się wody. Ciała o tym samym ciężarze, ale różnej gęstości, wypierają różną ilość wody – im ciała są gęstsze, tym mniej wody wypierają.
5. Posolenie lub posłodzenie wody zmienia jej gęstość na większą. Ciała, które tonęły w czystej wodzie, tym razem mogą unosić się na powierzchni, bo ich gęstość jest większa od czystej wody, ale mniejsza od roztworu soli lub cukru w wodzie.

Rozbujany żyrandol czyli jak działa wahadło

Czas: 1583 rok
Miejsce: Piza, Wielkie Księstwo Toskanii (dziś Włochy)
Eksperymentator: Galileusz

Oj, zalazł on za skórę swoim profesorom. I to bardzo mocno. Wszczynanie sporów z nimi sprawiało mu wręcz przyjemność. Bawił się ośmieszaniem dostojnych uczonych z uniwersytetu w Pizie – mieście, które wówczas było częścią Wielkiego Księstwa Toskanii. Na uniwersytetach mogła studiować tylko wąska grupa synów bogatych rodzin. Ich nauczyciele musieli więc cieszyć się dużym autorytetem. Wiedzy i umiejętności uniwersyteckich uczonych nie podważał prawie nikt. Wśród tych nielicznych, którzy ośmielali się publicznie dyskutować z profesorami, był Galileo Galilei, zwany Galileuszem. Być może wzięło się to stąd, że młodzieniec studiował medycynę nie z własnej woli, lecz na życzenie swego ojca. Temu zaś bardzo zależało na tym, by syn zdobył konkretny i dobrze płatny zawód. Galileusz jednak nie przykładał się do zajęć z medycyny. Zainteresowała go za to matematyka, którą na uniwersytecie w Pizie wykładano jako przedmiot dodatkowy. Gdy więc dowiedział się, że nadworny matematyk księcia Toskanii, Ostilio Ricci, ma wygłosić wykład w jego mieście, wślizgnął się do pałacu, by posłuchać uczonego. Nie wysiedział jednak w milczeniu, lecz zgłosił się, by zadać parę pytań. Ricci, inaczej niż uczeni z uniwersytetu, nie obraził się, lecz przeciwnie – docenił zainteresowania młodzieńca i wdał się z nim w dyskusję. Gdy uniwersytet zagroził Galileuszowi oblaniem egzaminów z medycyny, Ricci zachęcił go, by zajął się matematyką. Podjął się nawet rozmowy z ojcem młodego uczonego. Zatroskanemu rodzicowi obiecał, że zajmie się kształceniem Galilea. Sam był najlepszym przykładem tego, że matematyka nie jest dziedziną abstrakcyjną, lecz przynosi wymierne korzyści. Ostilio Ricci zarabiał przecież niemało. Traktował matematykę jako dziedzinę, która daje narzędzia do rozwiązywania rzeczywistych problemów. Z jej pomocą projektował architekturę wojskową, szczególnie fortyfikacje obronne, zajmował się także inżynierią wodną, a nawet badaniami kosmosu.
Ojciec Galileusza zgodził się na propozycję Ricciego. A młody uczony okazał się bardzo pojętnym uczniem. Dzięki lekcjom z nowym mistrzem szybko opanował podstawy matematyki. Wkrótce rozpoczął też prace nad własnymi projektami. Pomysł na jeden z pierwszych przyszedł mu do głowy podczas niedzielnego nabożeństwa w wielkiej katedrze w Pizie.
Słuchając monotonnych śpiewów religijnych, Galileusz podobno wpatrywał się w żyrandol zwisający z sufitu kościoła. Zakrystian, który prawdopodobnie za pomocą lampki na wysięgniku zapalał umieszczone tam świece, niechcący rozkołysał cały, zawieszony na długim sznurze, przedmiot. Galileusz zaczął mierzyć czas, jaki zabierało żyrandolowi przejście od największego wychylenia w jedną stronę do największego wychylenia w drugą stronę. Ponieważ nie znano jeszcze wtedy wystarczająco dokładnych zegarów, młody uczony liczył uderzenia pulsu na swoim nadgarstku.
Szybko zauważył, że choć kołysanie żyrandola stopniowo się zmniejszało, to czas od jednego wychylenia do drugiego wcale się nie zmieniał. Pełne wahnięcie zawsze zajmowało dokładnie tyle samo uderzeń pulsu, niezależnie od tego, jak daleko żyrandol się wychylał!
Galileusz nie poprzestał na samej obserwacji. Jak tylko wrócił do domu, rozpoczął eksperymenty, które miały ją potwierdzić. Zawiesił sznurek, do którego przywiązał kamień.
Rozbujał całość i mierzył czas ruchów tak powstałego wahadła. Znów powtórzyło się to, co widział w kościele. Czas, jaki mijał między jednym a drugim maksymalnym wychyleniem wahadła, zawsze był taki sam i nie zależał od tego, jak mocno Galileusz rozbujał kamień zawieszony na sznurku.
To również nie miało wpływu na czas wahnięcia, nazwany przez Galileusza okresem drgań.
Znaczenie miała jedynie długość sznurka. Jeśli się go skróciło, skracał się także okres drgań wahadła. Z kolei wydłużenie sznurka prowadziło do wydłużenia czasu między jednym a drugim wychyleniem kamienia.
Te prawa ruchu wahadła, które odkrył Galileusz, niemal natychmiast znalazły zastosowanie w praktyce. Wkrótce młody uczony zaproponował, by małego wahadełka użyć do mierzenia tętna chorych. Tak powstał instrument zwany pulsilogium, który zyskał wielkie uznanie lekarzy.
Kilkadziesiąt lat później inny uczony wykorzystał prawa ruchu wahadła, by zaprojektować pierwszy zegar wahadłowy. Czas jest w nim odmierzany za pomocą ruchów zawieszonego na łańcuszku ciężarka. Jego okres drgań jest przecież stały, niezależny od tego, jak mocno rozbuja się wahadełko.
Ten wynalazek stał się bardzo popularny na świecie i służył ludziom przez kolejne 300 lat. Dziś już wychodzi z użycia, wypierany przez zegary elektroniczne, choć jeszcze wciąż w niektórych domach można zobaczyć duże zegary wahadłowe. Rozejrzyjcie się, może znajdziecie taki u siebie, u dziadków albo schowany na strychu lub w piwnicy.

Eksperymentuj jak Galileusz, by odkryć wahadła wokół siebie i zrozumieć, jak się poruszają

Eksperyment 6
Szybkość bujania

1. Przygotuj żyłkę lub sznurek. Na końcu przywiąż ciężarek – kamień, łyżkę, nożyczki, jabłko czy cokolwiek innego (aby ułatwić sobie przywiązanie przedmiotu do sznurka, możesz go najpierw włożyć do torebki).
2. Wolnym końcem przywiąż sznurek do haka w suficie, żyrandola lub też do gałęzi na podwórku.
3. Następnie poproś drugą osobę, by wzięła do ręki zegarek mierzący z dokładnością co najmniej do sekundy (może to być na przykład stoper w telefonie komórkowym lub zegarek na rękę z sekundnikiem). Puść przygotowane wcześniej wahadło i informuj towarzyszącą ci osobę, kiedy osiąga ono maksymalne wychylenie (na przykład krzycząc: „Raz!”, „Dwa!”). Jej zadaniem będzie mierzenie czasu, jaki upływa między jednym maksymalnym wychyleniem wahadła a drugim (czyli między jednym twoim okrzykiem a drugim).
4. Rozbujaj wahadło kilkakrotnie – czasem mocniej, czasem słabiej. Za każdym razem osoba pomagająca ci powinna mierzyć czas między maksymalnymi wychyleniami wahadła.
Czy dostrzegasz różnice? Jakie?