Wróg! Podnieść osłony!

Zostały nam do omówienia 3 siły. Elektromagnetyzm oraz słabe i silne oddziaływania jądrowe.


Elektromagnetyzm to siła, która rozświetla nasze miasta. Radio, lasery, tablety, internety, wszystko to zawdzięczamy elektromagnetyzmowi. Jest to chyba najbardziej użyteczna siła na świecie. W przeciwieństwie do grawitacji potrafi ona zarówno przyciągać jak i odpychać. Czy ta siła jednak się nada do budowy naszej tarczy? Sama siła jako taka nie ponieważ można ją łatwo zneutralizować. Na przykład plastik i inne izolatory mogą z łatwością przenikać przez naprawdę potężne pola elektryczne i magnetyczne. Elektromagnetyzm z resztą działa na duże odległości i nie można nadać obszarowi jego oddziaływań pożądanego przez nas kształtu.
Wspomniałem już, że sama siła elektromagnetyczna nam nie pomoże, ale można ją wykorzystać do budowy naszej tarczy. O tym później. Omówmy jeszcze pozostałe siły czyli...

Słabe i silne oddziaływania jądrowe. Jeżeli chodzi o tę pierwszą siłę to jest to najkrócej pisząc siła rozpadu radioaktywnego. Dzięki tej sile rozpadające się pierwiastki radioaktywne we wnętrzu naszej Ziemi utrzymują jej temperaturę. A więc słabe oddziaływanie jądrowe jest odpowiedzialne m. in. za wybuchy wulkanów, trzęsienia ziemi i dryf kontynentów.
Silne oddziaływania jądrowe utrzymują w całości jądro atomu. Energia Słońca i innych gwiazd ma swoje źródło w tym oddziaływaniu.
Jak miałoby nam to pomóc? Problem w tym, że oddziaływania te mają bardzo mały zasięg działania. Generalnie co najwyżej na odległość jądra atomowego. Nie potrafimy tak naprawdę jeszcze dobrze używać tych sił. Póki co za ich pomocą rozbijamy atomy badając ich bardziej elementarny skład i detonujemy bomby atomowe.

Jak z tych czterech klocków zbudować tarczę ochronną? Może jest nadzieja? Słyszeliście kiedyś o czwartym stanie skupienia materii?


Plazma to najobficiej występująca forma materii we Wszechświecie. To z niej zbudowane jest Słońce, inne gwiazdy i gaz międzygwiazdowy. Jeżeli uważasz, że plazma to też wytwór sci-fi to pomyśl czy w twoim domu przypadkiem nie stał kiedyś w salonie telewizor plazmowy, albo czy nie widziałeś kiedyś błyskawicy.

Cztery stany skupienia materii

Plazma jest gazem zjonizowanych atomów. Ogrzewając materię, która znajduje się w stanie stałym doprowadzamy do niej energię pod postacią ciepła. Dzięki temu atomy tworzące tę substancję są bardziej... "energiczne" i dzięki temu trochę się... "luzują". Mamy wtedy stan ciekły, w którym atomy przemieszczają się to tu, to tam. Weźmy przykład wody. Woda w stanie ciekłym to lód. Atomy takiej wody mają bardzo mało energii (ale ciągle jakąś mają!) w związku z czym nie bardzo są chętne aby się poruszać. Spróbuj nalać wody z zamarzniętej butelki. Kiedy ogrzejemy lód (dostarczymy atomom wody energii) woda zacznie się roztapiać tworząc ciekły stan skupienia. Podgrzewając dalej wodę czyli dostarczając jej atomom jeszcze więcej energii woda przechodzi w trzeci stan skupienia tzw gazowy. W gazie atomy mają tyle energii, że szaleją jak tylko mogą.

Cząstki materii w jej poszczególnych stanach skupienia

 A co gdyby dostarczyć jeszcze więcej i więcej energii? Atomy jeszcze bardziej poluzują? Można tak powiedzieć. Wiemy, że atom składa się najogólniej z jądra i krążących wokół niego elektronów. Jeszcze bardziej "rozluzowane" atomy ze stanu gazowego tak się "luzują", że opuszczają swoje elektrony! Powstaje plazma! Czyli materia w czwartym stanie skupienia, której rozhulałe na skutek dostarczenia ogromnej ilości energii jadra atomowe są oddzielone od swoich elektronów.

Teraz: Jądra atomowe mają ładunek dodatni prawda? Elektrony ujemny prawda? Dlatego atomy są obojętne elektrycznie ponieważ w takim atomie jest tyle samo dodatnio naładowanych protonów w jądrze ile ujemnych elektronów. Kiedy dodatnie jądro pozbywa się swoich elektronów w plazmie staje się dodatnio naładowane. A dodatnio (ujemnie też) naładowaną materią możemy już sterować! Nadawać jej kształt, sprawić aby działała zgodnie z naszą wolą. Robimy to za pomocą czego? Oczywiście oddziaływania elektromagnetycznego!

Ogrzewając gaz do wysokiej temperatury zamieniamy go w plazmę. Taki gaz możemy kształtować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Czy taka plazmowa osłona już powstała? Tak!
Okno plazmowe zostało wynalezione przez fizyka Ady'go Herschcovitcha (nie próbujcie czytać na głos) w 1995 roku. Doktor Hersch... Doktor Ady skonstruował to urządzenie aby rozwiązać pewien problem spajania metali za pomocą wiązki elektronów. W skrócie chodziło o to, że takie spajanie może zachodzić tylko w próżni więc fizyk za pomocą plazmy chciał oddzielić powietrze od obszaru w którym wiązka elektronów spajała metal. Jego urządzenie miało 90 cm wysokości i 30 cm głębokości. Okno ogrzewało gaz do 6650 stopni! tworząc plazmę uwięzioną przez pole elektryczne i magnetyczne.

Wyobraźmy sobie (w końcu!) naszą kosmiczną bitwę! Nasz kosmiczny okręt został wystawiony na ogień wroga! W naszym kierunku lecą olbrzymie rakiety! Jaki jest pierwszy rozkaz? "Uruchomić tarczę plazmową!" Nasz okręt rozpyla wokół gaz który następnie ogrzewa do ogromnych temperatur w wyniku czego z gazu tworzy się plazma. W tym momencie pada rozkaz: "Uruchomić generator pól elektrycznych i magnetycznych!" Dzięki temu plazma tworzy barierę między naszym statkiem a nadlatującymi pociskami! Rakiety się zbliżają i... na skutek zetknięcia się z rozgrzaną do temperatury ponad 6000 stopni Celsjusza plazmą dosłownie wyparowują! Załoga skacze z radości! Ale co to?! Przeciwnik próbuje laserem o wysokiej mocy przeciąć nasz okręt na pół! I z pomocą przychodzi kolejna technologia, która już w dzisiejszych czasach ułatwia nam życie.
Chodzi o zjawisko fotochromii. Fotochromia to proces wykorzystywany w okularach przeciwsłonecznych, które ciemnieją pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Czyli im większe jest natężenie światła słonecznego tym więcej tego światła okulary zatrzymują. Szkło w takich okularach jest z budowane z cząsteczek, które mogą być w dwóch stanach. W pierwszym stanie cząsteczka jest całkowicie przezroczysta, a w drugim nieprzezroczysta. Gdyby takie cząsteczki nanieść na kadłub naszego okrętu to pod wpływem promieniowania wiązki lasera, którą wróg w naszym kierunku wycelował cząstki te stałyby się nieprzezroczyste i zatrzymałyby laser! I tak mogłaby wyglądać nasza super hiper zajetarcza!
Co prawda nie istnieje jeszcze fotochromia zdolna zatrzymać wiązkę laserową, ale okrętów kosmicznych tez jeszcze nie mamy. Jeszcze!


                                                                                                                                      W.P.

Cztery siły: Grawitacja

Wygląda na to, że naszym światem rządzą masoni. Żartuję. Chciałem tylko otwarcie wyśmiać wszystkich zwolenników teorii spiskowych. Tak naprawdę to naszym wszechświatem rządzą cztery siły:

1. Grawitacja
2.  Elektromagnetyzm
3.  Słabe oddziaływania jądrowe
4. Silne oddziaływania jądrowe

Oczywiście wolno wam nie zgodzić się z moim naukowym totalitaryzmem. Możecie twierdzić, że światem rządzi Bóg, bóg, lub bogowie. A może miłość? Ostatnio i taką tezę usłyszałem. I to od osoby, u której najmniej bym się spodziewał takich poglądów. „Bez miłości nie da się żyć”? Osobiście uważam, że tlen jest ważniejszy.

W każdym razie ważną informacją jest to, że każdą z tych czterech sił można opisać za pomocą pól Faradaya.

Isaac Newton dokonał gigantycznego odkrycia, kiedy porównał ruch owoców spadających z drzew z ruchem planet. Jego prawo powszechnego ciążenia jest jedną z najpotężniejszych teorii w fizyce. Newton zauważył, że wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji a wielkość tej siły maleje wraz z kwadratem odległości.

Legenda głosi, że pomysł siły grawitacji przyszedł Newtonowi do głowy gdy na głowę spadło mu jabłko z drzewa. Nie wiemy czy faktycznie tak było, ale wiemy, że Newton powiązał siłę, która każe jabłku spadać w dół z siłami, które np. każą okrążać Księżycowi Ziemię. Powiązał ją nawet z kulami armatnimi dzięki czemu dziś na lekcjach fizyki „uczymy się” jak obliczyć „gdzie spadnie kamień, któremu nadamy prędkość początkową…”. Ten temat już omawiałem w TYM MIEJSCU. 

Grawitacja to siła, która niezbyt rzuca nam się w oczy. Mamy jednak świadomość, że jeżeli podrzucimy kamień do góry to za chwilę opadnie. Wiemy, że jabłka spadają na dół nie do góry. Jak pisał Terry Prachet „grawitacja jest nawykiem, którego trudno się pozbyć”. Ale jakoś nie specjalnie zastanawiamy się dlaczego tak jest. Tak naprawdę nauka do końca nie potrafi jeszcze wyjaśnić „dlaczego” choć intensywnie pracuje aby się tego dowiedzieć i osiąga co chwilę jakieś sukcesy w badaniu grawitacji. Jak np. odkryta niedawno cząstka przenosząca oddziaływania grawitacyjne czyli ten sławny Bozon Higgsa. Odkryto też niedawno fale grawitacyjne. (O nośnikach oddziaływań i falach grawitacyjnych kiedyś na pewno napiszę bo to niezmiernie ciekawy temat ale też długi i trzeba by ogarnąć kilka podstawowych rzeczy w zakresie fizyki. Tzn ja muszę bo jestem jeszcze za głupi żeby wam to JASNO i KLAROWNIE wytłumaczyć).

Grawitacja jest wszędzie! Ma nieskończenie daleki zasięg oddziaływania, jest też jednak najsłabszym oddziaływaniem w porównaniu z pozostałą trójką. Utrzymuje nasze stopy na Ziemi, zapobiega rozpadowi naszej planety i gwiazd, utrzymuje w całości całe układy planetarne i galaktyki. Gdyby nie grawitacja, ruch obrotowy Ziemi wyrzuciłby nas w przestrzeń kosmiczną tak jak wchodząc samochodem w zakręt jesteśmy wypychani na zewnątrz.

Z jaką prędkością Ziemia wyrzuciłaby nas w przestrzeń gdyby nie grawitacja?

 Źródłem grawitacji jest oczywiście masa. Im większa masa ciał tym większą siłę grawitacji wytwarzają. Ale im dalej od siebie te ciała się znajdują tym mniejsza siła na nich działa. Wynika to ze wzoru na siłę grawitacji:

                                                                                   

Gdzie:

G – Stała grawitacji

M i m –Masy oddziałujących między sobą ciał

r – odległość między tymi ciałami

Ze wzoru na siłę grawitacji wynika pewien ciekawy fakt. Widzimy, że „r” czyli odległość między przyciągającymi się ciałami jest podniesiona do kwadratu. Więc zwiększając odległość między ciała dwukrotnie, zmniejszamy siłę grawitacji czterokrotnie. Zwiększając odległość między ciałami czterokrotnie, zmniejszamy między nimi siłę grawitacji szesnastokrotnie. Tylko odległość jest podnoszona do kwadratu, masy obiektów zaś nie. Oznacza to, że odległość między ciałami zmniejsza siłę grawitacji w większym stopniu niż masa tych ciał jest w stanie ją zwiększyć.

Księżyc posiada mniejszą masę niż Ziemia więc siła grawitacji jest na mim mniejsza

Newton uogólnił swoją teorię, pokazując, że stosuje się ona do wszystkich obiektów we wszechświecie. Prawo to przetrwało przez stulecia i dziś jest podstawowym opisem ruchu ciał. Nauka rozwijała się dalej, XX-wieczni naukowcy budowali na tych fundamentach swoje teorie, zwłaszcza Einstein – ogólną teorię względności, która jest nieco innym obrazem grawitacji, ale wciąż daje te same efekty końcowe co klasyczna teoria Newtona. (Teorie względności Einsteina odkrywamy powoli ale solidnie na tym blogu)

No dobrze. Ale jak wykorzystać jedną z czterech sił rządzących wszechświatem jaką jest grawitacja do wytworzenia naszego „super hiper zajefajnego pola siłowego”? Grawitacja ma właściwości dokładnie przeciwne do pól siłowych znanych z fantastyki naukowej. Grawitacja przyciąga a nie odpycha, jest niezwykle słaba w porównaniu z innymi siłami i działa na olbrzymie, astronomiczne odległości. Innymi słowy jest przeciwieństwem płaskiej, cienkiej nieprzenikalnej bariery, o której czytamy w książkach fantastycznonaukowych, oglądamy w filmach czy używamy w grach (jak np. w Mass Effect).

Szukamy więc dalej wśród możliwości jakie daje nam fizyka, aby uchronić nasz „super hiper zajefajny statek kosmiczny” przed rakietami, laserami i innymi bajerami jakimi będą w nas naparzać obcy.

                                                                                                               W.P.

Pola sił

Może najpierw ustalmy czym jest pole siłowe w filmach sci-fi. Najczęściej pole to przedstawiane jest jako cienka, niewidoczna albo w połowie przezroczysta, nieprzepuszczająca pocisków bariera. Z tego co mi wiadomo nikt czegoś takiego nie zbudował. Istnieją projekty, które mają na celu ochronę obiektu przed wrogimi pociskami np. za pomocą laserów wysokiej mocy. Oto jeden z nich (TUTAJ) Daleko jednak do tego aby wyglądało to na tarcze z filmów sci-fi. Przyjrzyjmy się czy prawa natury pozwalają w ogóle na stworzenie czegoś takiego.

Na pewno wielu z was widząc pola siłowe w filmach kojarzyło je z przykładami z życia. Jak np. magnes odwrócony do drugiego magnesu tym samym biegunem. Odpychają się. Zacznijmy od początku. Czyli od momentu i człowieka, który jako pierwszy w historii zastosował pojęcie pola sił. Był nim XIX-wieczny brytyjski uczony Michael Faraday. Urodził się w skromnej robotniczej rodzinie, jego ojciec był kowalem. Faradaya fascynowały postępy w dwóch rodzących się wtedy dziedzinach fizyki: elektryczności i magnetyzmu. Czytał wszystko co było związane z tymi tematami i uczęszczał na wykłady profesora Humphreya Davy’ego w Royal Institution w Londynie. Faraday był świetnym eksperymentatorem. Co ciekawe z powodu życia w ubóstwie w czasach swojej młodości, Faraday był matematycznym analfabetą. Jego notatki nie są wypełnione równaniami, ale rysunkami, diagramami itp. Może się wydawać absurdalne, ale uważa się, że to dzięki brakowi wykształcenia matematycznego Faraday zamiast zapisywać wyniki eksperymentów w postaci równań rysował diagramy dzięki czemu odkrył linie sił.

Pole magnetyczne (opiłki)

Linie pola magnetycznego

Pole elektryczne

Jeżeli w pobliżu magnesu umieścimy żelazne opiłki, ułożą się one w przypominający pajęczą sieć wzór. To są właśnie linie sił Faradaya, stanowiące obraz tego jak pola siłowe magnetyczne czy elektryczne wypełniają przestrzeń. Pola sił Faradaya, które uważano na początku za nie mające żadnego sensu bezużyteczne bazgroły okazały się prawdziwymi siłami zdolnymi przesuwać obiekty i wytwarzać moc. Prąd elektryczny, z którego korzystasz czytając ten wpis prawdopodobnie powstaje dzięki odkryciu Faradaya. Bowiem pewnego dnia w 1831 roku Faraday przesuwając zwykły magnes nad zwojem drutu zauważył, że bez dotykania przewodu udało mu się wytworzyć prąd elektryczny. Niewidzialne pole magnesu przepychało elektrony w przewodzie wywołując w nim przepływ prądu. Na tej samej zasadzie wytwarzany jest prąd we wszystkich elektrowniach na świecie. Np. w elektrowni wodnej przepływająca woda obraca wielki magnes w turbinie co powoduje popychanie elektronów w przewodzie i powstaje prąd elektryczny, który następnie jest dostarczany za pomocą linii wysokiego napięcia do naszych domów. Można śmiało powiedzieć, że Faraday jest ojcem naszej współczesnej cywilizacji.

Omówiliśmy pola sił. Ale nie takie, jakie mogłyby zatrzymać nadlatujący w kierunku naszego kosmicznego statku pocisk. Przecież gigantyczny magnes wytwarzający wokół nas pole magnetyczne nie uchroni nas od „oberwania”. Może je wręcz przyspieszyć. Zrozumieliśmy jednak istotę pola siły. Wiemy już o co miałoby chodzić w całej tej idei. Aby zaprojektować osłonę naszego statku kosmicznego musimy jeszcze poznać jakie siły funkcjonują w przyrodzie. I o tym w następnym wpisie.

                                                                                                                                                                                           

W.P.

Dawno dawno temu w odległej galaktyce...

Oglądaliście kiedyś Star Trek'a? Gwiezdne wojny? Nie? No to już wiem dlaczego nigdy nie lubiliście fizyki.

Mi podczas oglądania kosmicznych bitew zawsze nasuwało się pytanie "jak to działa?". Z czasem jak już umiałem sam wiązać sobie buty (tak, nosiłem kiedyś buty na rzep) i liczyć do 10 zadawałem już sobie pytanie "czy to możliwe żeby coś takiego działało?". No bo z jednej strony z wiekiem coraz trudniej nam uwierzyć, że istnieje człowiek latający jak superman. Wydaje nam się już niemożliwe istnienie jakichś pól siłowych które ochraniają w filmach podczas gwiezdnych bitew olbrzymie statki przed wrogim ogniem. A co z mieczami świetlnymi rycerzy Jedi? Czy zbudowanie takiego miecza jest możliwe? Co prawda bawiąc się podczas ostatniej nocy sylwestrowej widziałem mnóstwo rycerzy Jedi z mieczami świetlnymi. Zazwyczaj byli to rycerze wzrostu... mistrza Yoda. Miecze też nie wyglądały na oryginalne. Nikogo by raczej nie zraniły. Chociaż... zależy gdzie by je komu wsadzić. Niektórym by to pewnie nawet przyjemność sprawiło.
Gwiazda śmierci która pod komendą LordaVadera niszczyła w mgnieniu oka całe planety. Czy coś takiego jest możliwe? O! Teleportacja! Czy fizyka pozwala na pojawianie się to tu, to tam w czasie krótszym niż ułamek sekundy?
Czy to wszystko ma jakiekolwiek szanse na zadziałanie? Kiedyś pomysł przesyłania informacji po miedzianym drucie wydawał się bzdurny. Ale nauka ciągle idzie do przodu. I choć dzisiaj wszystkie bajery pokazywane nam w filmach science-fiction wydają się tak samo bzdurne to należy pamiętać, że każde wystarczająco zaawansowane rozwiązanie techniczne jest zawsze nieodróżnialne od magii.

Na początek... Pola siłowe!
Do później!

WP