wtorek, 12 sierpnia 2008
Kaczki w latającym cyrku

Nie, nic o polityce. Ten tekst planowałam, odkąd w bibliotece mojego instytutu w Augsburgu odkryłam hipnotyzującą książkę: The Flying Circus of Physics. Trudno się od niej oderwać, bo autor sprytnie podzielił dzieło na tom pytań i tom odpowiedzi, które trzeba dopiero wyszukać. Po to, żeby można było najpierw samemu pogłówkować. Na przykład: dlaczego przy puszczaniu kaczek" kamień odbija się od wody?



Książkę napisał Jearl Walker. To ten ostatni, zwykle nie pamiętany, autor podręcznika do fizyki - Halliday, Resnick... ach, to był jeszcze ktoś trzeci??? - od lat spędzającego sen z oczu studentom politechnik. Lecz Latający cyrk fizyki to całkiem co innego. Ani jednego wzoru, za to wiele komicznych obrazków. Jaka szkoda, że od ponad 30 lat nie pojawiło się polskie wydanie! Pokazałoby Polakom, że fizyka to nie nudne obracanie strasznymi wzorami. Fizyka - to kombinowanie. Zwłaszcza, gdy zajrzeć do tomu drugiego, okazuje się, że na niektóre pytania wciąż nie ma ostatecznej odpowiedzi. Bo w tej książce chodzi o przyjemność kombinowania. To chyba byłoby coś w sam raz dla Polaków...?

Lecz wróćmy do naszych „kaczek". Latający cyrk, wydany po raz pierwszy w 1977 roku, jest wciąż uzupełniany. W internecie można przeczytać co prawda nie całą książkę, ale jej najnowsze fragmenty. Jak się okazuje, w kwestii skaczących po wodzie kamieni jest co uzupełniać! Dopiero w XXI wieku fizycy zaczęli bliżej rozumieć to zjawisko, znane przecież od starożytności. Znamienite pismo Nature w 2004 roku opisało doświadczenia francuskich badaczy z filmowaniem „kaczek" w zwolnionym tempie. Zastosowali oni specjalną katapultę, pozwalającą kontrolować prędkość pocisku i tempo jego wirowania.

Aby kamień skakał po wodzie, jego prędkość musi przekraczać pewną wartość progową. Inaczej pocisk prześliźnie się po wodzie, szybko zatrzyma i zatonie. Odkryto, że przez całą drogę prędkość pozioma kamienia jest prawie stała, podczas gdy w kierunku pionowym podskakuje on coraz wolniej. Pocisk musi jednak wirować - i to z szybkością również przekraczającą określony próg - żeby stabilizować swój ruch. Okazało się, że istnieje „magiczny kąt" - około 20 stopni - pod którym kamień musi być nachylony, aby można było uzyskać najdłużej skaczącą „kaczkę" przy minimalnej sile rzutu. W ślady Francuzów poszli zaś fizycy z Japonii i w 2005 roku opublikowali w renomowanym Physical Review Letters obliczenia teoretyczne dokładnej wartości „magicznego kąta", oraz minimalnej prędkości dla uzyskania „kaczki", zależnej od ciężaru i wielkości kamienia.

22:42, anuszka_ha3.agh.edu.pl , Jak to działa
Link Komentarze (5) »
piątek, 13 czerwca 2008
O trudnej sztuce bycia niewidzialnym
3500 kilometrów na godzinę 24 kilometry nad ziemią. Tajna misja szpiegowska nad ZSRR. To były czasy. Na razie nie wrócą, bo legendarnego SR-71 Blackbirda wycofano ze służby w 1999 roku. Samolot zaprojektowana jako maszynę słabo widoczną dla radaru. Jak to działa(ło)?
Blackbirda można podziwiać w Muzeum Lotnictwa w Seattle. Robi niesamowite wrażenie, ma ponad 30 metrów długości, 15 szerokości i wygląda kosmicznie
 
SR-71 Blackbird w Muzeum Lotnictwa w Seattle
(zdjęcia autora) 

Uwagę na zdjęciach zwracają płaskie kształty samolotu i zaostrzone krawędzie. Mają one redukować tzw. profil radarowy samolotu, czyli jak bardzo widać maszynę na radarze. O ile samolot pasażerski podobnych rozmiarów wygląda na radarze jak latająca stodoła, o tyle profil radarowy SR-71 Blackbird to mniej więcej drzwi od tej stodoły.
 
Aby odpowiedzieć sobie na pytanie jak zrobić samolot niewidzialny dla radaru, należy pierwsze się zastanowić jak działa radar. Urządzenie to emituje fale elektromagnetyczne, które następnie odbijają się od samolotu i są odbierane w detektorze. Cała sztuka polega teraz na takim doborze kształtu i materiałów z których zrobiony jest samolot, żeby do detektora dotarło jak najmniej odbitego od samolotu promieniowania. Jak widać na załączonych obrazkach sprzyjają temu ostre profile i płaske powierzchnie.
 
 
Radar namierzający zwykły samolot pasażerski
(www.howstuffworks.com)
 
 
Radar namierzający samolot stealth - większość sygnału jest rozpraszana "na bok"
(www.howstuffworks.com)
 
 
Konstruktorzy nie pomyśleli jednak o jednym: rozgrzany gaz z dysz silników napędzających samolot do zawrotnych prędkości jest silnie zjonizowany i doskonale odbija promienie radarów. Dlatego powracające z misji SR-71 były jednymi z jaśniejszych punktów na cywilnych radarach.
22:24, michal.heller , Jak to działa
Link Komentarze (5) »
niedziela, 18 maja 2008
Diabeł w muzyce pogrzebany
koloMuzyka towarzyszy nam praktycznie bez przerwy.
Mało kto (wliczając w to samych muzyków) zdaje sobie sprawę, że muzyka jest jedną z najbardziej zmatematyzowanych form sztuki jaką wymyślił człowiek.


Czy to płynąc ze słuchawek odtwarzacza mp3 w zatłoczonym autobusie, z radia samochodowego, z telewizji czy też dudniąc zza ściany późno w nocy, podczas piątej w tym tygodniu głośnej imprezy u sąsiada. Muzyka jest wszechobecna.

Spośród ogromnej ilości dźwięków, można wyszczególnić takie, które mają bardzo dobrze określoną częstość. Są to tak zwane tony.
Muzyk uderzając w strunę wytwarza ton o pewnej częstości. Oprócz tej najlepiej słyszalnej częstości powstają również składowe harmoniczne, czyli dźwięki o 2, 3, 4, ... razy większej częstości.
Dwa dźwięki pasują do siebie, tzn. tworzą konsonans, gdy mają dużo wspólnych harmonicznych. Bardzo dobrze pasują do siebie dźwięki których stosunek częstości wynosi dwa. Dwa takie dźwięki tworzą oktawę. Dźwięki te pasują tak dobrze, że w muzyce oznacza się je zawsze tą samą literą np. a1 (440 Hz) i a2 (880 Hz).

Z samych oktaw ciężko jednak stworzyć muzykę. Potrzebne są jeszcze tony pośrednie. Kolejnymi najlepiej pasującymi dźwiękami są takie, których stosunek częstości wynosi 3:2, czyli tzw. kwinta czysta.
Aby mogła powstać muzyka trzeba stworzyć zbiór dźwięków, z której można wybierać takie które do siebie dobrze pasują. Problem ten rozwiązano w następujący sposób.
Do dźwięku początkowego (np. a1) dodajemy kwintę. Czyli mnożymy przez 3/2 i dostajemy e2 (440 x 3/2 = 660). Idąc dalej dostajemy h2 (660 x 3/2 = 990). Gdy dźwięk wyjdzie poza oktawę, dzielimy częstość przez dwa wracając do h1 (990/2 = 495). Postępując tak dalej po dwunastu krokach powracamy praktycznie do tego samego dźwięku a1 (446). W ten sposób zostało zatoczone tzw. koło kwintowe.

Dokładnie w środku, sześć półtonów (kwinta zmniejszona) nad a1 i sześć poniżej a2 leży pewien bardzo szczególny dźwięk: dis2. Wydawać by się mogło, że leżąc dokładnie pośrodku powinien tworzyć doskonała harmonię. Tymczasem brzmienie tego interwału (np. a1-dis2, h1-f2) jest tak złowrogie, że otrzymało swoją własną nazwę: Diabolus in Musica i było zakazane w czasach średniowiecza.
Fakt ten był wykorzystany w wielu utworach heavy metalowych najwybitniejszych przedstawicieli tego gatunku takich jak Black Sabbath, Metallica czy Slayer.
środa, 14 maja 2008
Ewolucyjnie zorientowani
gołąb pocztowy

Wiele gatunków ptaków (np. gołębie pocztowe), żółwi, salamander, ryb spodoustych (np. rekiny), homarów i innych zwierząt wykazuje się bardzo dobrą orientacją w terenie, zarówno na małych, jak i dużych odległościach. Ich zmysł nawigacji prawdopodobnie związany jest z receptorami magnetycznymi.  Niektórzy naukowcy wysuwają hipotezę, że u ludzi także wytworzyły się podobne mechanizmy, ale z nieznanych nam przyczyn przestały one być dla nas świadomie użyteczne. Siódmy zmysł?

W globalnej wiosce nawigacja w nieznanym terenie staje się równie ważna jak przesyłanie informacji. Ponieważ ludzkie poczucie orientacji oparte jest obecnie głównie na zmyśle wzroku (czasem wspomaganym przez zmysł słuchu), człowiek musiał sobie zafundować zewnętrzny system rozpoznawania lokalizacji - GPS. Wiele gatunków zwierząt postarało się o analogiczny (choć mniej precyzyjny) system na drodze ewolucji.

Podejrzewa się, że nawigacja zwierząt wędrownych oparta jest na magnetoreceptorach. Badacze mają jednak nie lada kłopot z ich znalezieniem, ponieważ nie bardzo wiadomo, gdzie ich szukać. Pole magnetyczne przenika przez komórki ciała, dlatego receptory te mogą znajdować się w dowolnym miejscu, a dodatkowo mogą być rozsiane po organizmie, ponieważ w przypadku orientacji nie jest potrzebny jeden konkretny narząd zmysłu. 

Magnetoreceptory mogłyby być czułe zarówno na odchylenia od kierunku pola magnetycznego Ziemi, czy wartość indukcji pola magnetycznego, jak i na biegunowość pola (odróżniając magnetyczny biegun północny od południowego). Lata badań zawęziły poszukiwania mechanizmów orientacji zwierząt w polu magnetycznym do trzech możliwości: wykorzystania indukcji elektromagnetycznej, powstawania reakcji chemicznych zależnych od pola magnetycznego oraz oddziaływania z polem magnetycznym magnetytów obecnych w ciele zwierzęcia.

prawdopodobmy mechanizm działania magnetoreceptorów u gołębi pocztowychTen trzeci mechanizm został rozpoznany u gołębi pocztowych. W ostatnich latach odkryto w górnej części ich dzioba magnetyty  Fe3O4 o własnościach superparamagnetycznych, magnesujące się nietrwale, zgodnie z kierunkiem i zwrotem zewnętrznego pola magnetycznego.  Prawdopodobnie klastry magnetytów połączone są włóknami z kanałami jonowymi w błonach komórek nerwowych i (zgodnie z hipotezą) mogą je zamykać lub otwierać na zasadzie efektu mechanicznego. Przypuszcza się, że wektor pola magnetycznego równoległy do błony komórkowej, powoduje przyciąganie się drobnych magnetytów, dzięki czemu kanały jonowe są zamykane (patrz: rysunek środkowy). Natomiast w polu magnetycznym ustawionym prostopadle do błony komórkowej, drobne magnetyty odpychają się (jak magnesy, których jednoimienne bieguny ustawiono blisko siebie), co prowadzi do otwarcia kanałów jonowych (patrz: rysunek dolny). Przedstawiony model zgodny jest z obserwacją braku reakcji gołębi pocztowych na biegunowość pola (nie było im to ewolucyjnie potrzebne ze względu na stosunkowo niewielkie odległości jakie pokonują w swych wędrówkach) i orientacją jedynie ze względu na wartość wektora indukcji magnetycznej.

19:17, daga.sokolowska , Jak to działa
Link Komentarze (1) »
niedziela, 20 kwietnia 2008
Nie tykać Archimedesa!

nartnikNartnik swobodnie biega po powierzchni wody; stalowa igła lub plastikowa karta ostrożnie położone na tafli wody, nie toną. Dlaczego w ich przypadku nie działa znane prawo Archimedesa?

Z prawa Archimedesa płynie prosty wniosek: przedmiot tonie w cieczy, gdy ma dużą gęstość (a nie masę!), a mówiąc ściślej, gdy jego gęstość jest większa od gęstości cieczy; przedmiot pływa po powierzchni cieczy, gdy relacja pomiędzy gęstościami jest odwrotna. I tak na przykład kulka w całości wykonana ze stali tonie na dnie oceanu (stal ma większą gęstość niż słona woda), a statek o stalowym kadłubie – nie idzie na dno, bo średnia gęstość kadłuba wraz z wypełniającym go powietrzem jest mniejsza niż gęstość wody.

Siła wyporu, której dotyczy prawo Archimedesa powstaje dopiero wówczas, gdy część przedmiotu (choćby niewielka) zanurzy się w cieczy („na każde ciało zanurzone w cieczy…”). Igła, karta i nartnik utrzymują się na powierzchni wody, nie zanurzając się w niej, więc w ich przypadku nie może to mieć nic wspólnego z prawem Archimedesa! (Łatwo się zresztą przekonać, że ta sama igła, czy karta wepchnięte do wody - zatoną, bo po ich zanurzeniu obowiązuje już prawo Archimedesa, a gęstości materiałów, z których te przedmioty wykonano, są większe od gęstości wody.)

Zanim jakikolwiek przedmiot przebije taflę cieczy, napotyka na jej powierzchni na opór, zwany siłą napięcia powierzchniowego. Tafla wody zachowuje się wtedy podobnie jak błona, która do pewnego stopnia może się uginać (im większe napięcie powierzchniowe cieczy, tym mniejsza elastyczność błony). Napięcie powierzchniowe zapobiega przebiciu tafli cieczy jedynie wówczas, gdy ugięcie jest niewielkie (czyli gdy na tafli położone są cienkie przedmioty, takie jak igła, czy plastikowa karta) oraz gdy ciecz nie zwilża przedmiotu (np. odnóża biegających po wodzie nartników pokryte są niezwilżanymi włoskami).  

Przy okazji: wykonując proste domowe doświadczenie można się przekonać, że siła napięcia powierzchniowego jest równoległa do powierzchni cieczy, a także, że detergenty zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, dzięki czemu ułatwione staje się zwilżanie cząsteczek brudu przez wodę i wypłukiwanie ich z zabrudzonych tkanin (czyli potocznie mówiąc - pranie).

 

 

 

 
18:13, daga.sokolowska , Jak to działa
Link Komentarze (1) »
 
1 , 2