Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος και γιατί τα σύννεφα είναι λευκά.

Το παρακάτω κείμενο αποτελεί απόσπασμα από το βιβλίο των Walter Lewin και Warren Goldstein, "Για την αγάπη της Φυσικής", εκδόσεις Κάτοπτρο.

[...] Στρέψτε το βλέμμα σας στον ουρανό και κάντε μερικές προφανείς ερωτήσεις; Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος; Γιατί στο ηλιοβασίλεμα είναι κόκκινος; Γιατί τα σύννεφα είναι λευκά; Η φυσική έχει όλες τις απαντήσεις! Το ηλιακό φως συντίθεται από όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Και καθώς διαπερνά τη γήινη ατμόσφαιρα, σκεδάζεται (διασκορπίζεται) προς όλες τις κατευθύνσεις από τα μόριά της και από μικροσκοπικά σωματίδια σκόνης [πολύ μικρότερα σε διάμετρο από 1 μικρόμετρο (μm), το 1/1000 του χιλιοστομέτρου (mm)]. Το φαινόμενο ονομάζεται σκέδαση Rayleigh. Το γαλάζιο φως, λοιπόν, σκεδάζεται περισσότερο απ’ ό,τι τα υπόλοιπα χρώματα – περίπου πέντε φορές περισσότερο απ’ ό,τι το ερυθρό φως. Το αποτέλεσμα είναι ότι, κοιτάμε τον ουρανό στη διάρκεια της ημέρας, το γαλάζιο χρώμα υπερτερεί, οπότε ο ουρανός μας φαίνεται γαλάζιος. Αν κοιτάξουμε τον ουρανό από την επιφάνεια της Σελήνης – και ίσως να έχετε δει σχετικές φωτογραφίες – , αυτός φαίνεται μαύρος, όπως τον βλέπουμε εμείς από τη Γη στη διάρκεια της νύχτας. Γιατί; Διότι η Σελήνη δεν έχει ατμόσφαιρα.

Γιατί το ηλιοβασίλεμα είναι κόκκινο; Για τον ίδιο λόγο που ο ουρανός είναι γαλάζιος. Όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ύψος του ορίζοντα, οι ακτίνες του φωτός, για να φθάσουν σε εμάς, πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση εντός της ατμόσφαιρας, έτσι, το πράσινο, το γαλάζιο και το ιώδες φως σκεδάζονται πολύ περισσότερο –φιλτράρονται, ουσιαστικά– οπότε δεν καταφέρνουν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα και να περιλούσουν τα σύννεφα υπεράνω μας. Συνεπώς, στα μάτια μας εισέρχεται κυρίως πορτοκαλοκόκκινο φως – και σε κάθε ηλιοβασίλεμα και ανατολή, ο ουρανός μοιάζει να φλέγεται.

Γιατί τα σύννεφα είναι λευκά; Οι σταγόνες του νερού στα σύννεφα ξεπερνούν κατά πολύ σε διαστάσεις τα μικροσκοπικά σωματίδια που κάνουν τον ουρανό να φαίνεται γαλάζιος. Όταν λοιπόν το ηλιακό φως διασκορπίζεται από τα υδροσταγονίδια, όλα τα χρώματα σκεδάζονται ισόποσα – και αυτό δίνει το λευκό χρώμα στα σύννεφα. Αν τα σύννεφα είναι πολύ πυκνά σε υδρατμούς ή αν βρίσκονται στη σκιά άλλων σύννεφων, τότε το φως δεν μπορεί να τα διαπεράσει, οπότε φαίνονται μαύρα και σκοτεινά.

Μια από τις επιδείξεις που λατρεύω είναι να δημιουργώ «γαλάζιο ουρανό» στις διαλέξεις μου. Σβήνω όλα τα φώτα και ρίχνω μια λεπτή δέσμη λευκού φωτός προς την οροφή της αίθουσας πλάι στον μαυροπίνακα (φροντίζω να καλύψω προσεκτικά την πηγή φωτός). Κατόπιν ανάβω μερικά τσιγάρα και τα κρατώ μέσα στη δέσμη φωτός. Τα σωματίδια του καπνού είναι αρκετά μικρά και έτσι δημιουργούν σκέδαση Rayleigh, και καθώς το γαλάζιο φως σκεδάζεται περισσότερο, οι φοιτητές βλέπουν τον καπνό γαλάζιο. Και συνεχίζω την επίδειξη: αφού ρουφήξω δυνατά το τσιγάρο και συγκρατήσω τον καπνό στους πνεύμονές μου επί ένα περίπου λεπτό – κάτι όχι και τόσο εύκολο – , φυσώ τον καπνό προς τη δέσμη του φωτός, οπότε τώρα φαίνεται λευκός, έχω δημιουργήσει ένα λευκό σύννεφο! τα μικροσκοπικά σωματίδια καπνού, όσο παρέμειναν στους πνεύμονές μου, μεγάλωσαν, διότι οι υδρατμοί που περιέχονται στους πνεύμονες προσκολλήθηκαν επάνω τους. Έτσι, όλα τα χρώματα σκεδάζονται ισοδύναμα και ο καπνός φαίνεται λευκός. Η αλλαγή χρώματος σε λευκό είναι όντως εκπληκτική!
Με την επίδειξη αυτή απαντώ σε δυο ερωτήσεις ταυτόχρονα: Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος και γιατί τα σύννεφα είναι λευκά. [...]



Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…