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

Jak jest w przestrzeni kosmicznej?

Wszyscy naoglądaliśmy się w filmach science-fiction kosmicznych bitew. Słyszeliśmy odgłosy silników rakietowych statków kosmicznych, odgłosy strzelających laserów. Ba! Widzieliśmy te lasery, wystrzelone z kosmicznych dział mknęły przez przestrzeń kosmiczną i uderzały w cel. 

Przykro mi fani Gwiezdnych Wojen. Po pierwsze w kosmosie NIE SŁYCHAĆ niczego. Nawet ogromnych rakiet. Dźwięk to drgania powietrza. W przestrzeni kosmicznej NIE MA powietrza. Jak nie ma powietrza to nie ma co drgać. Więc choćbyś nie wiem jak się ze mną nie zgadzał, choćbyś nie wiem jak głośno wyraził swój sprzeciw wobec tego co napisałem, w kosmosie i tak nikt Cię nigdy nie usłyszy.

 
Teraz lasery. KTÓRYCH W PRZESTRZENI KOSMICZNEJ NIE WIDAĆ. W kosmosie promienie lasera są niewidoczne. Pył w powietrzu "odbija" światło z promieni lasera do Twoich oczu. W kosmosie pył jest. Ale bardzo bardzo rzadki. Przestrzeń międzyplanetarna zawiera około 10 atomów na centymetr sześcienny. Dobra próżnia ziemska na 1 centymetr sześcienny zawiera 100 tysięcy atomów. Powietrze na poziomie morza - 30 miliardów miliardów atomów. A i tak nie zawsze laser jest widoczny.

A teraz fakty

 Mała zawartość atomów na jednostkę objętości w przestrzeni kosmicznej przekłada się na kilka innych faktów dotyczących tego jak jest w kosmosie. A jest w nim bardzo zimno. To dlatego, że znajduje się w nim niewiele atomów, które mogłyby w nas uderzać i przekazywać w ten sposób ciepło. Z drugiej strony gdy nie ma atomów, które mogłyby przenosić ciepło to przegrzanie jest równie poważnym problemem jak zamarznięcie. Skafander kosmiczny astronauty musi być ogrzewany i chłodzony.

Co potrzebują jeszcze astronauci aby przeżyć w kosmosie?
W przestrzeni kosmicznej brak też powietrza więc muszą oni mieć własne zapasy powietrza, zazwyczaj w butlach na plecach. Coś jak nurek.
W przestrzeni kosmicznej nie ma ciśnienia (no bo skąd skoro nie ma powietrza). Żyjemy na Ziemi z naciskającą na nas warstwą powietrza o grubości 50 km. Taka warstwa powietrza waży tyle co 2 słonie. Ale do takiego ciśnienia jest przyzwyczajony nasz organizm więc aby astronauta mógł przeżyć w świecie bez ciśnienia jego skafander musi je wytwarzać. To dlatego astronauci wyglądają jak ludzik Michelina.
W kosmosie panuje nieustanne zagrożenie promieniowaniem. Np ze Słońca czy spoza Układu Słonecznego (promieniowanie kosmiczne). Ziemskie pole magnetyczne osłania nas przed szkodliwym promieniowaniem. Promieniowanie to jest jedną z największych przeszkód dla człowieka w eksplorowaniu przestrzeni kosmicznej.

 W przestrzeni kosmicznej jest się pozbawionym ciężaru. Astronauci np na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej "fruwają" to tu to tam. Dlaczego tak się dzieje?

Nie widać laserów, nie słychać rakiet. Zawiedzeni? Ale nie będziecie płakać prawda? Pewnie, że nie będziecie. Bo w przestrzeni kosmicznej nie można płakać. A w każdym razie nie jest to takie wygodne jak na Ziemi.

BAJO!

 WP

C.D.N.

Dobra. Nie chciało mi się. Nie chciało mi się nic pisać. Nie chciało mi się ostatnio nawet myśleć. Nie chciało mi się ostatnio nawet pomyśleć o tym, że nic nie myślę, i jak bardzo cofam się stojąc w miejscu. Ale coś trzeba robić. Jedni wykładają filologię polską na Uniwersytecie Gdańskim, inni chemię w Tesco. Jeszcze inni wożą się dumnie po trójmieście Fordem Transitem należącym do firmy TA-KO sprzedającej sprzęt AGD/RTV, posiadającej sklep na ulicy Kartuskiej 20 w Gdyni. I wcale nie robię im reklamy. To po prostu dobry sklep. :). Yyy... I co to ja... Aha. Nie chciało mi się. No ale misie to są w zoo (zazwyczaj) no i trzeba coś robić. Np oświecać ludziów. Np naukowymi ciekawostkami. No i nadal będę je tu umieszczał. Ale postanowiłem utworzyć kolejny blog. Tym razem już monotematyczny. Konkretnie na temat tego czym wszyscy się zachwycają a nie mają pojęcia jak to działa. Otóż:

Wszechświat jest widowiskowo niezwykły, a występujące w nim zjawiska często przeczą naszym intuicyjnym wyobrażeniom. W tym kłócącym się z naszymi przeczuciami Wszechświecie obserwacje i rozumowanie są najlepszym sposobem badania tego co nieznane. Istotę obydwu tych spostrzeżeń można sobie bardzo dobrze uzmysłowić na przykładzie teorii względności Alberta Einsteina, która jest jednym z najwspanialszych wytworów... ble, ble ble.

Generalnie... sami zobaczcie:

E=mc²

Łysy się spasł. A może tylko sukienka go pogrubia?

Dlaczego wschodzący Księżyc jest taki duży?

Odpowiedź: Nie jest. 

Księżyc faktycznie wydaje się większy, kiedy znajduje się nisko nad horyzontem (z resztą tak samo jest w przypadku Słońca). To jednak tylko złudzenie optyczne.

Pan "W": Przecie kurna widziałem wczoraj Łysego i na pewno był większy niż gdy jest wysoko na niebie!

Pan "S": Przytrzymaj małą monetę w odległości wyciągniętego ramienia. Porównaj wielkość WSCHODZĄCEGO Księżyca z wielkością monety. Powtórz to samo gdy Księżyc znajduje się WYSOKO NA NIEBIE. Zobaczysz że jego wielkość jest dokładnie taka sama. 


Tak samo jest w przypadku Słońca, gwiazdozbiorów (Wolarz tuż nad horyzontem wydaje się ogromny). Jest to tylko złudzenie optyczne. Gdy Łysy jest nisko nad horyzontem gdzie widzisz przy okazji jednocześnie drzewa, budynki, masz porównanie i wydaje Ci się, że teraz Łysy ma większą łepetynę. W takim wypadku gdyby oglądać wschodzący Księżyc na otwartym morzu wydaje się on tak samo mały jak Księżyc wysoko na niebie.

Mało tego! Twierdzicie, Księżyc nisko nad horyzontem jest większy? W rzeczywistości jest nawet mniejszy. To już dla hardcore'owców: Pomyśl dlaczego tak jest. Otóż wschodzący Księżyc jest oddalony o 1 stopień geocentryczny więcej. Także ten...

Często pojawia się też pytanie dlaczego Księżyc kiedy jest nisko nad horyzontem ma cieplejsze barwy. Jest prawie żółty. (niektórzy twierdzą, że widzieli nawet pomarańczowy. yhy).

Otóż Łysy nisko nad horyzontem jest bardziej pomarańczowy z tego samego powodu dla którego Słońce znajdujące się nisko nad horyzontem jest bardziej czerwone.


Czy Księżyc na pewno ZAWSZE ma taką samą wielkość?

Taka... Inwencja artystyczna w ścisłej nauce.

We współczesnej kosmologii
Tylko wzorów nie zapomnij
Hubble już coś wyśpiewał,
Einsteina pot zalewał
I Shapley z Curtisem
Błyskali pomysłem
V to H razy r, u nas to każdy wie,
Einstein też to wiedział,
Hubble mu podpowiedział,
A stała kosmologiczna
Była zbyt statyczna
Wszechświat nie jest już statyczny,
Ale bardzo dynamiczny,
Ciągle się rozszerza
I Friedmann powiedział,
Że zwalnia ekspansja,
Ale to nieprawda
Shapley, Curtis, trudna rada,
Galaktyka się nie nada,
By całym Wszechświatem była,
Shapley’a pomyła,
Curtis był sceptyczny
Do gromad kulistych.
Żaden geniusz nie przewidział,
Aby Schmidt kwazary widział
Odkrywca jest pierwszy,
Pomysł nie zbyteczny
Bacznie obserwować,
Myślą operować
Przez Penziasa i Wilsona,
Znów podniosła się zasłona
Do zbadania gotowe
Promieniowanie reliktowe,
Wielki Wybuch poczciwy
Okazał się prawdziwy
Dopplerowskie przesunięcia
W astronomii do przyjęcia,
Odległości galaktyk
Z ich szybkości oddalania,
Lecz w Grupie Lokalnej
Są i szybkości zbliżania
Różne widmo ma zakresy,
Różne prążki i wykresy,
Analizował Giacconi,
Niewielu go dogoni,
W zakresie Roentgena
Ciemność się zaciera
Struny i inne wymiary
To Briana Greene’a czary,
Były też gotowe
Inflacja i supernowe
By znów coś odwrócić,
Wyjaśnić, zarzucić
No i stało się, słuchajcie,
Było głośno o tym właśnie,
Gdy kilka lat temu
Zdziwiło się wielu,
Przyśpiesza ekspansja,
Taka nowa racja 
A gdy nasi coś odkryli,
Myśmy się przyzwyczaili:
Pękają walizki,
Danych płyną listki,
Błyski gamma znają,
Wciąż coś odkrywają

Co łączy Łysego, jabłko i kulę armatnią?

Dlaczego Księżyc nie spada na Ziemię?

Pytanie wcale nie jest głupie. No bo skoro jabłko z drzewa spada na Ziemię to jakby wyobrazić sobie cholernie wysokie drzewo, tak wysokie, że mógłby na nim wisieć Księżyc to dlaczego i on miałby nie spadać na Ziemię?

Pewien mądrala (jak KTOŚ zauważył) o pięknych włosach (Ty też masz piękne, ale nie mówię tu o TOBIE) wyobraził sobie kulę armatnią wystrzeloną z działa. Ty też sobie to wyobraź. Kula wystrzelona z działa przebywa pewną odległość zanim spadnie na ziemię. A teraz wyobraź sobie, że wystrzelono kulę z jeszcze większą prędkością. Co się dzieje? Kula spada dalej. A co by się stało gdyby kulę wystrzelić z taką prędkością, że leciałaby tak daleko, iż okrążyłaby Ziemię? Gdzie by upadła? Otóż nie upadłaby wcale. Taka kula leciałaby z taką dużą prędkością, że krzywizna Ziemi przestałaby mieć znaczenie. Spójrz na ten obrazek:

 

 Równie szybko jak kula spada, powierzchnia Ziemi obniża się pod nią a więc kula nigdy nie spada na Ziemię. Aby uzyskać taki efekt trzeba by nadać takiej kuli

 co najmniej 7,81 km/s. To tak zwana 

I prędkość kosmiczna Ziemi czyli minimalna prędkość jaką trzeba nadać ciału aby zaczęło ono okrążać Ziemię. Newton zdał sobie sprawę, że Księżyc tak samo jak jego wymyślona armatnia kula nieustannie spada na Ziemię, ale nigdy do niej nie dociera. Z uwagi na odległość Łysemu wystarczy prędkość ok. 1 km/s aby okrążać Ziemię i nigdy na nią nie spaść (ale ciągle spadać).

Pan "W"(jak Wątpliwość) : No dobra, ale skoro Księżyc porusza się z taką prędkością to dlaczego nie odlatuje?

 I właśnie na tym polegał geniusz Newtona. Z takiej właśnie wątpliwości wydedukował prawo grawitacji. Zdał sobie sprawę, że siła która przyciąga spadające jabłko do Ziemi jest tą samą siłą, która utrzymuje Łysego na orbicie. Kiedy podczas rzutu młotem, miotacze wykonują obroty, to napięcie sznurka jest tym, co nie pozwala wirującemu młotowi odlecieć od miotacza. Bez tej siły naciągu młot odleciałby tak jak to się dzieje gdy jest wypuszczony z ręki. Tak samo jest z Księżycem. Mimo, że okrąża on Ziemie z ogromną prędkością, nie odlatuje z niej w kosmos bo jest trzymany niewidzialnym sznurem grawitacji. Ale też na nią za sprawą tej samej grawitacji nie spada bo porusza się na tyle szybko, że powierzchnia Ziemi obniża się pod nim w takim samym tempie jak Księżyc na nią spada. 

Grawitacja jest nawykiem, którego trudno się pozbyć.        ~Terry Prachet.

Klikając w link poniżej można sprawdzić zmieniając prędkość ciała jak zmienia się jego orbita:

 UWAGA: Po kliknięciu w odnośnik do animacji należy z menu wybór tematów wybrać "Klasyczna mechanika", a następnie "Rzut poziomy a prędkości kosmiczne".

Poza I prędkością kosmiczną można wyróżnić też inne (dla Ziemi) :

• II prędkość kosmiczna (11,2 km/s) - jest to prędkość jaką należy nadać ciału aby opuściło ono orbitę Ziemi.
• III prędkość kosmiczna (16,7 km/s) - prędkość jaką należy nadać ciału aby opuściło ono Układ Słoneczny.
•  IV prędkość kosmiczna (130 km/s) - prędkość potrzebna do opuszczenia naszej galaktyki jaką jest Droga Mleczna.  

Czy Łysy zawsze był i zawsze będzie oddalony od Ziemi o taką samą odległość? 
Odpowiedź znajdziesz... gdzieś tam.