Τα φυσικά φαινόμενα και η επιστημονική ερμηνεία τους, Τόμος Ι by Εκδόσεις Οσελότος

238 × 326 SPINE: 18 FLAPS: 0

ΤΟΜΟΣ Ι

ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

ISBN 978-960-564-653-0

ΧΡΗΣΤΟΣ Γ. ΝΤΟΥΝΤΟΥΛΑΚΗΣ

Πως προκύπτει το χρώμα του ουρανού; ∎ Γιατί τα φύλλα των δέντρων είναι πράσινα; ∎ Γιατί η Σελήνη δεν έχει ατμόσφαιρα; ∎ Πως σχηματίζονται τα σύννεφα, η βροχή, το χαλάζι, το χιόνι, οι σίφωνες και πόσα είδη αστραπών υπάρχουν; ∎ «Fata Morgana» και άλλα οπτικά φαινόμενα. ∎ Πόσο μακριά μπορώ να δω σε μια καθαρή μέρα; ∎ Γιατί τα σύννεφα σταματούν να ανεβαίνουν μετά από κάποιο ύψος; ∎ Γιατί το ραδιόφωνο μου μπορεί να συντονιστεί με μακρινούς σταθμούς τη νύχτα; ∎ Τι είναι και πως δημιουργούνται τα ατμοσφαιρικά βαρυτικά κύματα, το airglow, τα contrails και τα distrails, το Σέλας, τα στιγμιαία νέφη Prandtl – Glauert, τα sprites, τα elves και τα blue jets; ∎ Γιατί υπάρχουν οι εποχές και γιατί δεν είναι σταθερές οι ημερομηνίες των ισημεριών και των ηλιοστασίων; ∎ Τι είναι η κλιματική αλλαγή και το φαινόμενο του θερμοκηπίου; ∎ Γιατί τα κύματα είναι πάντα παράλληλα προς την ακτή; ∎ Γιατί η εξάτμιση του νερού από το δέρμα μας δροσίζει; ∎ Τι είναι το tsunami και τα «πελώρια φονικά κύματα»; ∎ Πως δημιουργούνται τα διαμάντια, το πετρέλαιο, τα ηφαίστεια, οι αλυκές; ∎ Υπάρχουν λόφοι που αψηφούν το νόμο της Βαρύτητας; ∎ Πως δημιουργείται η παλίρροια; ∎ Γιατί η Σελήνη έχει πάντα στραμμένη την ίδια πλευρά προς τη Γη; ∎ Πως πετάει το αεροπλάνο; ∎ Γιατί ρίχνουμε αλάτι στους παγωμένους δρόμους; ∎ Πως μπορούν να περπατάνε στο νερό κάποια έντομα; ∎ Πως σκουριάζουν τα σίδερα; ∎ Γιατί οι χήνες πετούν σε σχηματισμό V; ∎ Γιατί βλέπουμε μόνο τη κορυφή του παγόβουνου και πως επιπλέουν τα πλοία και τα υποβρύχια; ∎ Γιατί το μπούμερανγκ γυρίζει πίσω; ∎ Τι είναι το ζωδιακό φως; ∎ Γιατί χιονίζει και με θερμοκρασίες άνω του μηδενός; ∎ Γιατί ο πλανήτης Άρης είναι κόκκινος; ∎ Πως παράγουν ενέργεια τα φωτοβολταϊκά; ∎ Γιατί οι συσκευές έχουν θερμοκρασιακά όρια λειτουργίας; ∎ Γιατί μια σειρήνα ακούγεται διαφορετικά όταν μας πλησιάζει και αλλιώς όταν απομακρύνεται; ∎ Γιατί κάποιες νύχτες ο παφλασμός των κυμάτων σε παραθαλάσσιες περιοχές ακούγεται εντονότερα; ∎ Τι είναι οι καταβόθρες; ∎ Τι είναι οι αυτοκινούμενοι βράχοι και πως εξηγείται η κίνηση τους; ∎ Τι είναι η γεωμαγνητική καταιγίδα, οι ηλιακές κηλίδες και πως επηρεάζουν τη Γη; ∎ Πως δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο της Γης; ∎ Γιατί μεταδίδεται το φως αλλά όχι ο ήχος στο διάστημα; ∎ Αυτά και πολλά άλλα, εδώ… ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΔΙΑΘΕΣΗ Βατάτζη 55, 114 73 Αθήνα ΤΗΛ. : 210 6431108 ekdoseis.ocelotos@gmail.com www. ocelotos. gr

0000_cover_fysika_fainomena.indd 1

ΕΚΔΟΣΕΙΣ

ο σ ε λ ότ ο ς

6/25/2018 1:38:24 PM

00_soma_fysika_fainomena.indd 1

29/6/2018 3:03:26 ÎźÎź

Τιτλος

Τα φυσικά φαινόμενα και η επιστημονική ερμηνεία τους Τόμος Ι Συγγραφέας

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης Σειρα

Επιστημονικά [5358] 0718/02 Επιmελεια - Διορθωση

Αθήνα, Ιούλιος 2018 ISBN 978-960-564-653-0

Σημαντική σημείωση για τις φωτογραφίες του βιβλίου: Κάτω από κάθε φωτογραφία, αναφέρονται ρητά, εκτός των άλλων, το όνομα του δημιουργού και οι όροι χρήσης. Όσες είναι με copyright, φέρουν το σήμα © δίπλα από το όνομα του δημιουργού, οπότε θα πρέπει να ζητηθεί η άδεια από εκείνον για επαναχρησιμοποίηση. Οι περισσότερες είναι με κατάλληλη άδεια χρήσης Creative Commons, η οποία αναφέρεται σε κάθε περίπτωση (για περισσότερες πληροφορίες, βλέπε http://creativecommons.gr/). Όσο αφορά τις φωτογραφίες του συγγραφέα Χρήστου Γ. Ντουντουλάκη, περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την άδεια χρήσης τους, μπορείτε να βρείτε στη φωτογραφική του σελίδα: https://doudoulakis.blogspot.com ή να ρωτήσετε τον ίδιο μέσω του e-mail που θα βρείτε εκεί. Τα παραπάνω αφορούν φωτογραφίες και μόνο. Προφανώς τα διάφορα σχήματα, γραφήματα, σχεδιαγράμματα κ.λπ., αποτελούν μέρος του βιβλίου με ό,τι αυτό συνεπάγεται.

Το παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις της ελληνικής νομοθεσίας, (Ν. 2121/1993, όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) καθώς και από τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται η καθ’ οιονδήποτε τρόπο ή μέσο (ηλεκτρονικό, μηχανικό ή άλλο) αντιγραφή, φωτοανατύπωση και γενικώς αναπαραγωγή, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου χωρίς τη γραπτή άδεια του δικαιούχου συγγραφέα.

ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΔΙΑΘΕΣΗ:

Βατάτζη 55, 114 73 Αθήνα Τηλ.: 210 6431108 ocelotos@ocelotos.gr www.ocelotos.gr

2 00_soma_fysika_fainomena.indd 2

29/6/2018 3:03:27 μμ

Αφιερωμένο σε όλους εκείνους που ψάχνουν αδιάκοπα, για ικανοποιητικές απαντήσεις σε όλα τους τα «γιατί»

3 00_soma_fysika_fainomena.indd 3

29/6/2018 3:03:27 μμ

4 00_soma_fysika_fainomena.indd 4

29/6/2018 3:03:27 ÎźÎź

Λίγα λόγια για τον συγγραφέα

Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1978. Εισήχθη στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης στο Ηράκλειο το 1996, από όπου πήρε το πτυχίο του το 2000 με βραβεία από το Ι.Κ.Υ. Εισήχθη με υποτροφία στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα σπουδών της ίδιας σχολής και έλαβε το μεταπτυχιακό δίπλωμα ειδίκευσης στη «Πυρηνική Φυσική και Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων» το 2002 και το διδακτορικό του δίπλωμα το 2007 με έρευνα και δημοσιεύσεις περί δινών και σολιτονίων στο μοντέλο Goldstone και σε αβελιανά μοντέλα Higgs.

Ως βοηθός καθηγητή, στα πλαίσια των μεταπτυχιακών σπουδών του και της διδακτορικής του διατριβής, έκανε μαθήματα διαφορικών εξισώσεων, συναρτήσεων πολλών μεταβλητών και γενικής Φυσικής στο τμήμα Φυσικής αλλά και στο τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης. Εκτός αυτού, είναι ερασιτέχνης μετεωρολόγος όπως και αυτοδίδακτος φωτογράφος με έμφαση στη καιρική φωτογραφία και την αστροφωτογραφία.

5 00_soma_fysika_fainomena.indd 5

29/6/2018 3:03:27 μμ

6 00_soma_fysika_fainomena.indd 6

29/6/2018 3:03:27 ÎźÎź

Μια μικρή εισαγωγή… Κάθε μέρα, όλοι μας, λίγο πολύ, συναντάμε επιστημονικούς όρους που δεν καταλαβαίνουμε ή όρους που νομίζουμε ότι κατανοούμε, αλλά αυτά που έχουμε «μάθει» για αυτούς, είναι στη καλύτερη περίπτωση ελλιπή και στη χειρότερη εντελώς λανθασμένα. Η έννοια αυτών των όρων, σε αρκετές περιπτώσεις διαστρεβλώνεται, καθώς αυτοί χρησιμοποιούνται με λάθος τρόπο, αφήνοντας λάθος εντυπώσεις. Συνήθως στα ΜΜΕ, διάφοροι, όταν αναφέρονται σε επιστημονικά θέματα, και όχι μόνο, χρησιμοποιούν για εντυπωσιασμό, υπερβολικούς τίτλους που περιέχουν τέτοιους όρους δημιουργώντας παρεξηγήσεις. Κάπως έτσι, ξεκινούν και οι παρερμηνείες από τον μέσο αναγνώστη/τηλεθεατή/ακροατή. Από την άλλη, ερχόμαστε συνεχώς, σε επαφή με πράγματα που τα θεωρούμε δεδομένα, αλλά δεν έχουμε ιδέα για το πώς λειτουργούν. Βλέπουμε απλά ή πιο σύνθετα φυσικά φαινόμενα, είτε ως τηλεθεατές είτε όντας αυτόπτες μάρτυρες, γνωρίζοντας για αυτά μόνο όσα έχουμε διαβάσει από πηγές αμφιβόλου ποιότητας και εγκυρότητας. Πολλές φορές έχουμε αναρωτηθεί «γιατί» και «πως» συμβαίνουν πολλά πράγματα γύρω μας, είτε αυτά αφορούν το έδαφος κάτω από τα πόδια μας, τον κόσμο γύρω μας, εμάς τους ίδιους, τον ουρανό από πάνω μας ή τα αστέρια και το Σύμπαν.

Αυτό το τρίτομο έργο, τον 1° τόμο του οποίου κρατάτε στα χέρια σας, φιλοδοξεί να καλύψει, αυτό ακριβώς το τεράστιο κενό στην ελληνική βιβλιογραφία, δίνοντας επιστημονική γνώση στον καθένα που ενδιαφέρεται να μάθει περισσότερα για τον κόσμο γύρω του με έγκυρο, σοβαρό αλλά και απλό τρόπο. Για τον αναγνώστη που θέλει να ξεκαθαρίσει τι ισχύει και τι δεν ισχύει. Αυτό το έργο έχει γραφτεί, ώστε να είναι χρήσιμο τόσο για έναν αναγνώστη μη-εξοικειωμένο με επιστημονική ορολογία που θα ήθελε να αποκτήσει τη δύναμη της Γνώσης, ώστε να ξεχωρίζει το σωστό από το λάθος, το υπερβολικό από το πραγματικό στις πληροφορίες που λαμβάνει, όσο και για έναν φοιτητή θετικών επιστημών που θα ήθελε να κατανοήσει περισσότερο κάποιες έννοιες και να προχωρήσει ακόμη παραπέρα: στη σύνδεση των γνώσεων που λαμβάνει από το πανεπιστήμιο, απευθείας με τον πραγματικό κόσμο, όπως και να αποτελέσει «τροφή για σκέψη» για όλους ανεξαιρέτως. Όλα τα κεφάλαια παρέχουν γνώση με τον απλούστερο δυνατό τρόπο, ενώ για όποιον επιθυμεί να λάβει περισσότερες και πιο εξειδικευμένες πληροφορίες, αυτές, στα περισσότερα κεφάλαια, παρέχονται με μικρότερη γραμματοσειρά, ώστε να ξεχωρίζουν. Εκ των πραγμάτων, δεν γίνεται να εξηγηθούν τα πάντα σε τρία βιβλία, ωστόσο έχουν επιλεγεί θέματα και φαινόμενα που, είτε έχουν προκαλέσει ή προκαλούν το παγκόσμιο ενδιαφέρον, είτε είναι σπάνια και εντυπωσιακά ή καθημερινά αλλά ελάχιστοί γνωρίζουν ή έχουν αναρωτηθεί ποια είναι η αρχή λειτουργίας τους (αν πρόκειται για αντικείμενα) ή πως συμβαίνουν (αν πρόκειται για φυσικά φαινόμενα).

Η επιστημονική διανόηση στις μέρες μας, έχει φτάσει σε ένα επίπεδο που ναι μεν δεν είναι αρκετό για να εξηγήσει τα πάντα, αλλά μπορεί να δώσει απαντήσεις σε πολλά ερωτήματα που παλαιότερα πιστεύαμε πως ίσως και να μην μπορούν να απαντηθούν. Από πολλούς διανοητές, η Φυσική, ως κορωνίδα των Επιστημών, αποκαλείται και «Σύγχρονη Φιλοσοφία». Αυτό διότι η ώθηση που δόθηκε στη Γνώση, μέσω της Κβαντικής επανάστασης αλλά και της βαθύτερης κατανόησης θεμελιωδών εννοιών όπως εκείνες του χώρου και του χρόνου μέσω της Σχετικότητας, μας οδήγησαν σε μία άνευ προηγουμένου ανάπτυξη και τεχνολογική εξέλιξη ενώ, έδωσαν τη δυνατότητα να καταλάβουμε καλύτερα από ποτέ, τον τρόπο λειτουργίας του Κόσμου μας. Η Χημεία, η Βιολογία και κατ’ επέκταση, ως ένα βαθμό και η Ιατρική, στηρίζονται στις αρχές της Κβαντομηχανικής και του Ηλεκτρομαγνητισμού, ενώ η παραπάνω τεχνολογική επανάσταση, έδωσε «σάρκα και οστά» στην επιστήμη των Υπολογιστών σε μία κοινωνία όπου, η (χρήσιμη) πληροφορία πλέον έχει τεράστια αξία. Εκτός αυτών, αυτές οι επαναστα-

7 00_soma_fysika_fainomena.indd 7

29/6/2018 3:03:27 μμ

τικές θεωρίες (Κβαντομηχανική και Σχετικότητα) της Φυσικής κυρίως στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, έδωσαν τη δυνατότητα ανάπτυξης, σε βάθος χρόνου, νέων επιστημονικών κλάδων όπως π.χ. η Πυρηνική Ιατρική, Τηλεϊατρική, Αεροδιαστημική, Ραδιοαστρονομία, Μικροηλεκτρονική, Νανοτεχνολογία, Ρομποτική, αλλά έφεραν στο προσκήνιο και νέα «εργαλεία» όπως π.χ. τη μαγνητική τομογραφία (MRI), το laser, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, τους υπολογιστές, το GPS, τους δορυφόρους, το διαδίκτυο και πολλά άλλα που σήμερα θεωρούμε δεδομένα, αλλά ένα αιώνα πριν δεν διανοούμασταν καν την ύπαρξη των περισσοτέρων. Ταυτόχρονα, ανοίγει ο δρόμος για ακόμη μεγαλύτερα βήματα προς το «μέλλον», όπως η ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, η κβαντική τηλεμεταφορά, η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών, τα μεταϋλικά, η τεχνητή νοημοσύνη, κ.λπ. (Πολλά από αυτά τα πιο «προχωρημένα» θέματα θα δούμε στον 2° και 3° τόμο). Από τα παραπάνω, μπορεί να αντιληφθεί κάποιος, για μία ακόμη φορά, πως «η Γνώση είναι δύναμη». Γνωρίζοντας τους νόμους με τους οποίους λειτουργεί η Φύση, μπορούμε να εξελίξουμε τη ζωή μας με τρόπο θαυμαστό, αρκεί ο στόχος να είναι η πρόοδος προς όφελος της Κοινωνίας και όχι η αυτοκαταστροφή. Το κίνητρο να είναι η Γνώση και όχι η απληστία. Αυτό ανέκαθεν ήταν το έργο της Φυσικής αλλά και των Επιστημών γενικότερα: η αποκρυπτογράφηση των νόμων με τους οποίους λειτουργεί η Φύση. Γνωρίζοντας τους, μπορούμε να απαντήσουμε σε πάμπολλα ερωτήματα όπως αυτά που θα δούμε μέσα σε αυτό το τρίτομο έργο.

Χρήστος Γ. Ντουντουλάκης

Αθήνα, Ιανουάριος 2018

8 00_soma_fysika_fainomena.indd 8

29/6/2018 3:03:27 μμ

Περιεχόμενα Λίγα λόγια για τον συγγραφέα Μια μικρή εισαγωγή… Περιεχόμενα

Εξήγηση βασικών εννοιών και όρων Κύματα, ταλαντώσεις, φως, ηλεκτρομαγνητικό κύμα, ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, πόλωση, πολωτές, πολωμένο φως, μονάδες μέτρησης, κλίμακες, μεγέθη, διέγερση, αποδιέγερση και ιονισμός ατόμων, σύμβολα. Τα φυσικά φαινόμενα και η επιστημονική τους ερμηνεία Πως προκύπτει το χρώμα του ουρανού; Τι είναι η σκέδαση; ∎ Σκέδαση Rayleigh.

Γιατί τα φύλλα των δέντρων είναι πράσινα; Γιατί η χλωροφύλλη δεν απορροφά το πράσινο φως; ∎ Γιατί το φθινόπωρο τα φύλλα αλλάζουν χρώμα; ∎ Αφού το μαύρο είναι το πιο αποτελεσματικό χρώμα όσο αφορά την απορρόφηση ενέργειας, γιατί τα φύλλα των δέντρων δεν είναι μαύρα; ∎ Γιατί εμφανίζονται και άλλα χρώματα πέρα από το πράσινο; Γιατί η Γη έχει ατμόσφαιρα αλλά η Σελήνη όχι;

Πως σχηματίζονται τα σύννεφα και η βροχή; Τι είναι η αστάθεια; ∎ Που οφείλεται η «μυρωδιά της βροχής»;

Πως σχηματίζεται το ουράνιο τόξο; Γιατί το ουράνιο τόξο εμφανίζεται σε γωνία 40-42 μοιρών σε σχέση με τον Ήλιο; ∎ Γιατί ο ουρανός παρουσιάζεται λαμπρότερος κοντά στο ουράνιο τόξο, από την εσωτερική του πλευρά; ∎ Πως προκύπτει το δευτερεύον ουράνιο τόξο και γιατί έχει τα χρώματα με αντίστροφη σειρά από ότι το κύριο; ∎ Υπεράριθμα ουράνια τόξα (Supernumerary rainbows) ∎ Λευκό ουράνιο τόξο ή τόξο ομίχλης (Fog bow) ∎ Γεωμετρική και κυματική οπτική.

7 9 15 26 26 28 31 34

Τι είναι η αστραπή, ο κεραυνός και η βροντή; Ποια η πηγή του ήχου της βροντής; ∎ Τι είναι η «περίεργη» οσμή μετά από καταιγίδες με πολλούς κεραυνούς;

Τι είναι ο στατικός ηλεκτρισμός; Πως και γιατί μεταφέρεται φορτίο από το ένα υλικό στο άλλο; ∎ Γιατί παίζει ρόλο η υγρασία; ∎ Οι τάσεις του στατικού ηλεκτρισμού είναι πολύ μεγάλες! Δεν θα έπρεπε να πάθω ηλεκτροπληξία;

Πως μπορούμε να προστατευτούμε από τους κεραυνούς; Γενικοί κανόνες προστασίας.

Τι είναι και πως δημιουργείται το χαλάζι; Πως δημιουργείται ένας χαλαζόκοκκος; ∎ Γιατί τα χαλαζοφόρα νέφη, πολλές φορές, είναι πράσινα; Πως δημιουργούνται τα σχήματα των νιφάδων χιονιού; Πως δημιουργούνται οι δενδρίτες; ∎ Γιατί οι νιφάδες που πέφτουν μαζί, δεν είναι ακριβώς ίδιες; ∎ Γιατί τα υπέρψυχρα σταγονίδια νερού δεν παγώνουν σε θερμοκρασίες υπό του μηδενός; ∎ Γίνεται να χιονίζει με θερμοκρασίες άνω του μηδενός;

00_soma_fysika_fainomena.indd 9

57 60

9 29/6/2018 3:03:27 μμ

Τι είναι και πως δημιουργούνται οι σίφωνες ξηράς και θαλάσσης, τα funnel clouds και τα dust devils; Γιατί οι κυκλώνες περιστρέφονται με αντί-ωρολογιακή φορά στο βόρειο ημισφαίριο και με ωρολογιακή στο νότιο; Τι είναι κυκλώνας; ∎ Γιατί ο αέρας κινείται από περιοχές υψηλότερης προς περιοχές χαμηλότερης πίεσης; ∎ Τι διαφορά έχει ο τροπικός κυκλώνας από τη τροπική καταιγίδα; ∎ Ονοματολογία ∎ Κλίμακα Saffir-Simpson.

Τι είναι και πως δημιουργούνται τα παρήλια; Σύντομη παρουσίαση των οπτικών ατμοσφαιρικών φαινομένων Γιατί τα παρήλια εμφανίζονται σε γωνία 22° σε σχέση με τον Ήλιο; ∎ Γιατί το περισσότερο φως είναι συγκεντρωμένο από εκείνη τη γωνία και πάνω αλλά με μειούμενη ένταση; ∎ Άλλα οπτικά φαινόμενα ∎ Κάποια σημαντικά στοιχεία σχετικά με τη διάκριση των διαφόρων οπτικών φαινομένων ∎ Σχετική συχνότητα εμφάνισης ∎ Γιατί κάποια φαινόμενα είναι σπανιότερα από κάποια άλλα; ∎ Οπτικά φαινόμενα κάτω από τον ορίζοντα: Υπό-Ήλιος, Υπό-Παρήλια κ.λπ. ∎ «Πυλώνες» φωτός ή light pillars. Τι είναι και πως δημιουργείται η σεληνιακή και η ηλιακή άλως; Ιριδισμοί και πολύχρωμη άλως.

Πως σχηματίζονται οι αντικατοπτρισμοί; Τι είναι το φαινόμενο «Fata Morgana»; Γιατί και πως «κάμπτεται» το φως; ∎ Τι είναι το σημείο ολικής εσωτερικής ανάκλασης; ∎ Γιατί είναι ανεστραμμένη η εικόνα του αντικατοπτρισμού;

Τι είναι και πως δημιουργείται το φαινόμενο της «πράσινης λάμψης» (Green flash); Πως δημιουργείται αυτό το φαινόμενο; ∎ Υπάρχει και «μπλε λάμψη»;

Γιατί τα αντικείμενα που βρίσκονται μέσα στο νερό φαίνονται παραμορφωμένα; Αν βρίσκομαι μέσα στο νερό και κοιτάω προς τα έξω, γιατί από κάποια γωνία και μετά δεν μπορώ να δω τίποτα; Πόσο μακριά μπορώ να δω σε μία καθαρή μέρα; Πόσο μακριά μπορούμε να δούμε, όταν και εμείς αλλά και το αντικείμενο που θέλουμε να παρατηρήσουμε, βρίσκονται σε μη-μηδενικό υψόμετρο; Γιατί τα σύννεφα σταματούν να ανεβαίνουν πάνω από κάποιο ύψος; Γιατί στη στρατόσφαιρα ανεβαίνει η θερμοκρασία με το ύψος; ∎ Τι είναι θερμοκρασιακή αναστροφή; ∎ Συμβαίνει θερμοκρασιακή αναστροφή στη τροπόσφαιρα;

Γιατί το ραδιόφωνο μου μπορεί να συντονιστεί με μακρινούς σταθμούς τη νύχτα; Τι είναι η ιονόσφαιρα, τα ΑΜ και τα FM; Τι είναι το skypunch και πως δημιουργείται;

Τι είναι και πως δημιουργούνται τα κυματιστά νέφη και τα ατμοσφαιρικά βαρυτικά κύματα; Ατμοσφαιρικά βαρυτικά κύματα. ∎ Νυχτερινά φωτεινά νέφη (noctilucent clouds). ∎ Airglow ∎ Χημειοφωταύγεια. Τι είναι το Airglow;

63 71

88 90 96 99 102 104 107 109 110 113

10 00_soma_fysika_fainomena.indd 10

29/6/2018 3:03:27 μμ

Τι είναι τα νέφη mammatus και πως δημιουργούνται; Τι είναι και πως δημιουργούνται τα στιγμιαία νέφη Prandtl – Glauert; Τι είναι και πως δημιουργείται το Σέλας; Τι είναι ο ηλιακός άνεμος; ∎ Πως και γιατί μεταβάλλεται το χρώμα του Σέλαος με το ύψος; ∎ Γιατί «προτιμά» τις πολικές περιοχές; Τι είναι τα sprites, τα elves και τα blue jets; Πως προκύπτει το χρώμα τους; ∎ Τι είναι οι κοσμικές ακτίνες;

Τι είναι και πως δημιουργούνται τα contrails και τα distrails; Γιατί υπάρχουν contrails που παραμένουν περισσότερη ώρα στον ουρανό σε σχέση με άλλα; ∎ Από τα contrails που παραμένουν αρκετή ώρα στον ουρανό, γιατί κάποια διαχέονται και κάποια άλλα όχι; ∎ Γιατί ορισμένα contrails εμφανίζονται διακοπτόμενα; ∎ Δύο αεροπλάνα πετούν την ίδια στιγμή στον ουρανό. Γιατί το ένα αφήνει contrails που διαρκούν αρκετή ώρα και το άλλο όχι; ∎ Γιατί δεν ευσταθεί η θεωρία συνωμοσίας περί «chemtrails»; ∎ Τα contrails έχουν κάποια επίδραση στο κλίμα; ∎ Και τα πλοία έχουν επίδραση στην ανακλαστικότητα των νεφών! ∎ Τι είναι το φαινόμενο Twomey;

Που βρίσκει το νερό που αποβάλλει το κλιματιστικό όταν λειτουργεί; Το κλιματιστικό ξηραίνει τον αέρα του δωματίου; ∎ Γιατί κάποιες φορές τρέχει πολύ νερό και άλλες καθόλου; ∎ Ψυκτικά υγρά και περιβάλλον Τι είναι και πως δημιουργούνται η θαλάσσια και η απόγειος αύρα;

Γιατί οι παραθαλάσσιες περιοχές είναι δροσερές το καλοκαίρι και θερμότερες τον χειμώνα σε σχέση με τις ηπειρωτικές; Τι είναι θερμοχωρητικότητα;

Γιατί υπάρχουν οι εποχές και γιατί δεν είναι σταθερές οι ημερομηνίες ισημεριών και ηλιοστασίων; Γιατί οι χειμώνες και τα καλοκαίρια του βορείου ημισφαιρίου είναι ηπιότερα σε σχέση με εκείνα του νοτίου; ∎ Γιατί στις ισημερίες, η μέρα και η νύχτα δεν έχουν ακριβώς την ίδια διάρκεια; Τι είναι και πως δημιουργείται η τρύπα του όζοντος; Πως καταστρέφεται το όζον; ∎ Γιατί η τρύπα εστιάζεται στις πολικές περιοχές και ιδιαίτερα στην Ανταρκτική; ∎ Γιατί η καταστροφή του όζοντος μας ενδιαφέρει τόσο πολύ; ∎ Τι είναι οι ακτινοβολίες UVA, UVB και UVC;

Τι είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου;

Τι είναι η κλιματική αλλαγή; Τι είναι η παγκόσμια θέρμανση; ∎ Από πού προκύπτουν οι μετρήσεις διαφόρων παραμέτρων που αφορούν χιλιάδες χρόνια πριν; ∎ Ευθύνεται ο άνθρωπος; Τι είναι τα φαινόμενα «El Nino» και «La Nina»; Γιατί μας ενδιαφέρει η μελέτη τους; ∎ Γιατί έχουν διαφορετικές επιπτώσεις σε διαφορετικές περιοχές; Πως δημιουργείται η ομίχλη; Τι γίνεται στο μπάνιο; ∎ Απόλυτη και σχετική υγρασία. ∎ Τύποι ομίχλης.

116 118 119 124

130

138 140 141 142

146 149 152 160 164

11 00_soma_fysika_fainomena.indd 11

29/6/2018 3:03:27 μμ

Γιατί η εξάτμιση του νερού από το δέρμα μας δροσίζει; Γιατί η εξάτμιση του οινοπνεύματος μας δροσίζει περισσότερο; Γιατί τα κύματα είναι πάντα παράλληλα προς την ακτή; Γιατί αφρίζουν τα κύματα καθώς πλησιάζουν στην ακτή; Τι είναι τα rogue waves (πελώρια κύματα); Τι είναι και πως δημιουργείται το tsunami; Τι είναι τα megatsunamis;

Πως βρίσκουμε το επίκεντρο των σεισμών; Μπορούν να προβλεφθούν; Γιατί συμβαίνουν οι σεισμοί; ∎ Πόσα είδη σεισμικών κυμάτων υπάρχουν; ∎ Πως βρίσκουμε το επίκεντρο; ∎ Ποια η σχέση ενέργειας και μεγέθους σεισμού; ∎ Πόσο αξιόπιστα είναι τα προσεισμικά φαινόμενα;

Πως δημιουργείται ένα ηφαίστειο; Τι είναι το μάγμα; ∎ Πως προκύπτει το λιώσιμο των πετρωμάτων; ∎ Τι περιέχουν τα ηφαιστειακά αέρια; Πως δημιουργείται το πετρέλαιο; Τι είναι οι ποικιλίες «West Texas» και «Brent»; ∎ Μπορούμε να παράγουμε πετρέλαιο με τεχνητό τρόπο;

Πως δημιουργούνται τα διαμάντια; Πως προκύπτουν τα διάφορα χρώματα τους; ∎ Πως τα βγάζουμε από τέτοιο βάθος; ∎ Πως υπολογίζουμε την ηλικία τους; ∎ Πως αλλιώς μπορούν να δημιουργηθούν διαμάντια πάνω στη Γη; ∎ Πως ακριβώς ο άνθρακας μπορεί να μετατραπεί σε διαμάντι; ∎ Μπορούμε να δημιουργήσουμε τεχνητά διαμάντια; ∎ Τι είναι το καράτιο;

167 168 169 171 173 179 183 185

Πως δημιουργούνται οι αλυκές; Πως δημιουργούνται οι ροζ – κόκκινες λίμνες;

188

Γιατί η Σελήνη έχει στραμμένη πάντα την ίδια πλευρά προς τη Γη; Γιατί η Σελήνη έχει περίοδο 27 ημερών; ∎ Γιατί απομακρύνεται από τη Γη με το πέρασμα του χρόνου; ∎ Παλιρροϊκός συγχρονισμός.

193

Πως δημιουργείται η παλίρροια; Γιατί η Σελήνη χρειάζεται πάνω από 24 ώρες για να βρεθεί στο ίδιο σημείο στον ουρανό ενός τόπου; Τι είναι οι εκλείψεις; Πως και γιατί συμβαίνουν; Σκιές ∎ Πως ένα μικρό ουράνιο σώμα όπως η Σελήνη, μπορεί να προκαλέσει έκλειψη ενός τόσο μεγάλου σώματος όπως ο Ήλιος; ∎ Γιατί υπάρχουν διαφορετικά είδη εκλείψεων; ∎ Αφού η Σελήνη πραγματοποιεί μία περιστροφή γύρω από τη Γη σχεδόν κάθε μήνα, τότε γιατί δεν έχουμε εκλείψεις Ηλίου και Σελήνης κάθε μήνα; ∎ Γιατί η Σελήνη φαίνεται κόκκινη όταν συμβαίνει ολική έκλειψη; ∎ Όχι μόνο κόκκινο αλλά και μπλε! ∎ Τι είναι η «μπλε πανσέληνος» και η «υπερπανσέληνος»; Τι είναι το «ζωδιακό φως»; Αντί-ζωδιακό φως.

Υπάρχουν «μαγικοί λόφοι» όπου τα αντικείμενα αψηφούν το νόμο της Βαρύτητας; Θα μπορούσαν, τοπικά ισχυρές ανομοιογένειες στο βαρυτικό πεδίο της Γης, να προκαλέσουν κάτι τέτοιο;

190

195

203 205

12 00_soma_fysika_fainomena.indd 12

29/6/2018 3:03:27 μμ

Γιατί το μπούμερανγκ γυρίζει πίσω; Πως βοηθά το σχήμα του την ανύψωση και την πτήση του; ∎ Γιατί μεγαλύτερη ταχύτητα ανέμου συνεπάγεται χαμηλότερη πίεση; ∎ Γιατί έχει σχήμα V; ∎ Ποια δύναμη «αναγκάζει» το μπούμερανγκ να «στρίψει» και να επιστρέψει σε εμάς; ∎ Μετάπτωση άξονα περιστροφής. Πως πετάει το αεροπλάνο;

Πως λειτουργεί το αλεξίπτωτο; Επιφάνεια, αντίσταση και ιστιοφόρα ∎ Τεχνικές λεπτομέρειες.

Γιατί το τρεχούμενο νερό από τη βρύση, έλκει κοντά του αντικείμενα; Γιατί οι χήνες (και όχι μόνο) πετούν σε σχηματισμό V; Αεροδυναμική ∎ Το πουλί που ηγείται, δεν κουράζεται γρηγορότερα; ∎ Οι καλύτερες θέσεις είναι στη μέση του σχηματισμού. Πως μπορούν κάποια έντομα να περπατάνε στο νερό; Τι είναι η επιφανειακή τάση; ∎ Υδρόφοβα πόδια.

Γιατί ένα γυάλινο ποτήρι με αλκοόλ έχει «δάκρυα» στα τοιχώματα του; Τι είναι η τριχοειδής δράση; ∎ Γιατί η αιθανόλη έχει μικρότερη επιφανειακή τάση από το νερό; ∎ Γιατί η αιθανόλη είναι πιο πτητική από το νερό; Γιατί ένα μπουκάλι γεμάτο νερό σπάει στη κατάψυξη; Γιατί ο πάγος καταλαμβάνει περισσότερο όγκο; Γιατί βλέπουμε μόνο τη κορυφή του παγόβουνου; Γιατί το λάδι δεν αναμειγνύεται με το νερό;

Γιατί επιπλέουν τα πλοία; Τι είναι άνωση; ∎ Γιατί τα υποβρύχια μπορούν να βυθίζονται αλλά και να επιπλέουν; Γιατί τα μπαλόνια ηλίου ανεβαίνουν στον ουρανό; Πότε σταματάνε να ανεβαίνουν; Πως προκαλείται ο βρασμός του νερού; Γιατί οι φυσαλίδες έχουν το σχήμα που έχουν;

Πως παράγουν ενέργεια οι μπαταρίες; Οι μπαταρίες που δεν χρησιμοποιούνται αποφορτίζονται; ∎ Η απόδοση τους στο κρύο μειώνεται; ∎ Πως προκύπτει η διαρροή υγρού από τις μπαταρίες; Γιατί ρίχνουμε αλάτι στους παγωμένους δρόμους; Πως ενεργεί το αλάτι; ∎ Αν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή τι γίνεται;

Πως παράγουν ενέργεια τα φωτοβολταϊκά; Τι είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο; ∎ Τι υλικό χρησιμοποιείται στα φωτοβολταϊκά; ∎ Τι είναι οι ημιαγωγοί τύπου p και n; ∎ Γιατί χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί και όχι αγωγοί; ∎ Πως μπορεί να αυξηθεί η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού; Γιατί υπάρχουν θερμοκρασιακά όρια λειτουργίας για τις συσκευές; Γιατί μαυρίζει η οθόνη του υπολογιστή τσέπης όταν μείνει αρκετή ώρα κάτω από τον ήλιο; Τι είναι και πως λειτουργούν οι οθόνες LCD; Τι είναι οι «υγροί κρύσταλλοι»; ∎ TFT – LCD.

208 212 214 217 218 221 223 225 226 227 228 229 230 232 234 236 239 242

13 00_soma_fysika_fainomena.indd 13

29/6/2018 3:03:27 μμ

Ποιες είναι οι διαφορές ανάμεσα στις λάμπες πυρακτώσεως και τις λάμπες οικονομίας; Γιατί χρησιμοποιείται υδράργυρος στις λάμπες φθορισμού; ∎ Αν σπάσουν κινδυνεύουμε; ∎ Κινδυνεύουμε από την εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας από τις λάμπες φθορισμού; ∎ Πως εκπέμπουν φως τα LED;

244

Γιατί ο Άρης λέγεται «κόκκινος πλανήτης»; Γιατί ο Άρης έχει τόσο σίδηρο στην επιφάνεια του; ∎ Γιατί το ηλιοβασίλεμα στον Άρη είναι μπλε; ∎ Υπάρχει νερό στον Άρη; ∎ Τι απέγινε το νερό στον Άρη;

249

Πως σκουριάζουν τα σίδερα; Οξείδια και υδροξείδια ∎ Γιατί η σκουριά είναι κόκκινη;

248

Τι είναι οι ηλιακές κηλίδες και πως επηρεάζουν τη Γη; Ο 11ετής κύκλος του Ήλιου και το διάγραμμα της «πεταλούδας» ∎ Επηρεάζουν τη Γη;

252

Τι είναι η γεωμαγνητική καταιγίδα; Ποιος κινδυνεύει από αυτές τις καταιγίδες;

Πως δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο της Γης; Τι είναι η θεωρία του «γεω-δυναμό»; ∎ Μπορούν να αντιστραφούν οι μαγνητικοί πόλοι της Γης; ∎ Τι προκαλεί την αντιστροφή τους;

Γιατί μεταδίδεται το φως αλλά όχι και ο ήχος στο διάστημα; Αφού ο ήχος δεν μεταδίδεται στο διάστημα, πως επικοινωνούν οι αστροναύτες μεταξύ τους; Γιατί μια σειρήνα ακούγεται διαφορετικά όταν μας πλησιάζει και αλλιώς όταν απομακρύνεται; Φαινόμενο Doppler. Γιατί κάποιες νύχτες σε παραθαλάσσιες περιοχές ο παφλασμός των κυμάτων ακούγεται εντονότερα; Γιατί η θερμοκρασία του αέρα παίζει ρόλο στη διάδοση του ήχου; Πως εξηγείται το φαινόμενο των «αυτοκινούμενων βράχων» (Sailing rocks); Τι είναι και πως δημιουργούνται οι καταβόθρες (sinkholes); Τοπογραφία Karst.

Βιβλιογραφία

Γλωσσάρι όρων

255 258 260 263 265 267 269

275 278

Χρωματικό υπόμνημα περιεχομένων Ουρανός – Μετεωρολογία – Κλίμα – Ατμόσφαιρα Διάστημα – Σύμπαν – Αστρονομία – Αστροφυσική «Καθημερινές» απορίες Γη – Υπέδαφος – Επιφάνεια – Θάλασσα

14 00_soma_fysika_fainomena.indd 14

29/6/2018 3:03:27 μμ

ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ | ΤΟΜΟΣ Ι

Εξήγηση βασικών εννοιών και όρων Σε αυτό το εισαγωγικό κεφάλαιο, εξηγούνται κάποιες βασικές έννοιες και όροι, που θα συναντήσει σχετικά συχνά ο αναγνώστης στο τρίτομο έργο. Το συγκεκριμένο κεφάλαιο, με κάποιες προσθήκες, θα υπάρχει και στον τόμο ΙΙ.

Κύματα – Ταλαντώσεις Είτε πρόκειται για ηχητικό κύμα είτε για ηλεκτρομαγνητικό κύμα είτε για θαλάσσιο κύμα είτε για οποιοδήποτε άλλο, έννοιες όπως «μήκος κύματος», «συχνότητα», κ.λπ. θα τις συναντάμε σε όλα. Στα επόμενα σχήματα απεικονίζονται οι έννοιες αυτές.

Το μήκος κύματος λ για ένα κύμα, είναι η απόσταση από μέγιστο σε μέγιστο ή από ελάχιστο σε ελάχιστο ή, γενικότερα, από ένα τυχαίο σημείο ως το επόμενο «ίδιο» σημείο (σχήμα 1). Το μήκος κύματος μετριέται σε εκατοστά, μέτρα, ή οποιαδήποτε άλλη μονάδα μέτρησης μήκους βολεύει, ανάλογα με το σύστημα που ταλαντώνεται. Παρατηρήστε στα σχήματα 1 και 2, ότι το μήκος κύματος λ1 του πρώτου κύματος, είναι μεγαλύτερο από εκείνο του δεύτερου, δηλαδή λ1 > λ2.

Η συχνότητα f ενός κύματος, είναι ο αριθμός επαναλήψεων της κυματομορφής μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα t. Π.χ. αν είστε παρατηρητής στην άκρη του πρώτου κύματος, τότε βλέπετε 2 κυματομορφές (ή 2 «κύκλους») σε δεδομένο χρόνο t. Αυτή είναι η συχνότητα f1 του πρώτου κύματος. Αν είστε παρατηρητής στην άκρη του δεύτερου κύματος, τότε βλέπετε 6 κυματομορφές (ή 6 «κύκλους») στον ίδιο χρόνο t. Επομένως, η συχνότητα f2 του δεύτερου κύματος είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα του πρώτου: f2 > f1. Η συχνότητα μετριέται σε αριθμό «κύκλων» (επαναλήψεων) ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή η μονάδα μέτρησης της είναι 1/s το οποίο ονομάζεται Hz (Χερτζ, δηλαδή «κύκλοι» ανά δευτερόλεπτο).

Η περίοδος Τ ενός κύματος, είναι το αντίστροφο μέγεθος της συχνότητας, δηλαδή ισχύει: T=1/f, οπότε η μονάδα μέτρησης της είναι τα δευτερόλεπτα (s) ή οποιαδήποτε άλλη χρονική μονάδα μέτρησης βολεύει (π.χ. ώρες, χρόνια, κ.λπ.), ανάλογα με το σύστημα που έχουμε. Η περίοδος μετρά πόσο χρόνο (π.χ. πόσα δευτερόλεπτα) διαρκεί ένας «κύκλος» (μία «κυματομορφή»). Π.χ. στα σχήματα 1 και 2, στο πρώτο κύμα, η περίοδος, έστω T1 είναι μεγαλύτερη από τη περίοδο T2 στο δεύτερο κύμα, διότι η κυματομορφή χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να ολοκληρωθεί (εμείς είμαστε οι ακίνητοι παρατηρητές στη δεξιά άκρη του κύματος). Αυτό εξάγεται και από τις συχνότητες που βρήκαμε πριν και την αντίστροφη σχέση τους με τις περιόδους:

2 Περισσότερες κυματομορφές (κύκλοι) στον ίδιο χρόνο, σημαίνει εξ’ορισμού μεγαλύτερη συχνότητα f, μικρότερη περίοδο T και μικρότερο μήκος κύματος λ για το δεύτερο (κάτω) κύμα στο παραπάνω σχήμα.

15 00_soma_fysika_fainomena.indd 15

29/6/2018 3:03:28 μμ

ΧΡΗΣΤΟΣ Γ. ΝΤΟΥΝΤΟΥΛΑΚΗΣ

f 2 > f1

→

1 f2

1 f1

→

T2 < T1

Θεμελιώδης κυματική εξίσωση. Είναι μία απλή εξίσωση που συνδέει το μήκος κύματος λ με τη συχνότητα f και τη ταχύτητα διάδοσης υ του κύματος. Στις παραπάνω κυματομορφές, υποθέστε ότι τα κύματα διαδίδονται από αριστερά προς τα δεξιά, δηλαδή προς τον παρατηρητή, με ταχύτητα υ. Τότε, για κάθε κύμα ισχύει: υ = λf

Ουσιαστικά μας «λέει» πως, αν αυξηθεί η συχνότητα του κύματος, τότε θα πρέπει να μειωθεί το μήκος κύματος του, ώστε να διατηρηθεί σταθερή η ταχύτητα διάδοσης του (δηλαδή το γινόμενο τους). Πράγματι αυτό συμβαίνει στο δεύτερο κύμα (αύξηση συχνότητας με παράλληλη μείωση του μήκους κύματος). Η εξίσωση αυτή, όπως και κάθε εξίσωση της Φυσικής, δεν είναι τυχαία. Έχει προκύψει μετά από παρατήρηση των φυσικών φαινομένων (εδώ των κυμάτων).

Πλάτος ενός κύματος, είναι η μέγιστη απομάκρυνση από τη θέση ισορροπίας (θέση ισορροπίας είναι η οριζόντια γραμμή στα σχήματα 1, 2, 3 και αντιστοιχεί στη μορφή που έχει το σκοινί όταν δεν ταλαντώνεται). Δηλαδή, πρακτικά, είναι η απόσταση των μεγίστων ή ελαχίστων από την οριζόντια γραμμή. Υπάρχουν δύο είδη κυμάτων.

Εγκάρσια κύματα: Ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Αποτελούνται από «όρη» και «κοιλάδες» ή «μέγιστα» και «ελάχιστα». Εγκάρσια ήταν και τα κύματα των παραπάνω σχημάτων. Παράδειγμα εγκάρσιων κυμάτων αποτελούν τα μηχανικά κύματα όπως το κύμα που δημιουργούμε ταλαντώνοντας, με το χέρι μας, την άκρη ενός σκοινιού ή τα σεισμικά κύματα S (βλ. κεφάλαιο περί σεισμών). Διαμήκη κύματα: Ταλαντώνονται παράλληλα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Αποτελούνται από «πυκνώματα» και «αραιώματα». Παράδειγμα διαμήκων κυμάτων αποτελούν τα ηχητικά κύματα ή τα σεισμικά κύματα P (βλ. κεφάλαιο περί ήχου στο διάστημα και περί σεισμών αντίστοιχα).

16 00_soma_fysika_fainomena.indd 16

29/6/2018 3:03:28 μμ

ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ | ΤΟΜΟΣ Ι

Φως – Ηλεκτρομαγνητικό κύμα Το ηλεκτρομαγνητικό (Η/Μ) κύμα (ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβο λία) απαρτίζεται από ηλεκτρικό E  και μαγνητικό πεδίο B , όπως μαρτυρά και το όνομα του, τα οποία ταλαντώνονται πάντα σε κάθετες διευθύνσεις μεταξύ τους. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται στο κενό με τη ταχύτητα του φωτός c ≈ 300000 km/s σε κατεύθυνση πάντα κάθετη με τα επίπεδα ταλάντωσης των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων (σχήμα 1). Εκπέμπεται και απορροφάται από φορτισμένα σωματίδια που επιταχύνονται ή επιβραδύνονται.

2 3 Για να το δούμε αυτό λίγο καλύτερα, καταρχάς σκεφτείτε για ευκολία πως έχετε ένα ακίνητο ηλεκτρικό φορτίο κάπου στο χώρο. Αυτό δημιουργεί γύρω του ένα στατικό (μη μεταβαλλόμενο) ηλεκτρικό πεδίο με κέντρο το φορτίο, ενώ οι δυναμικές του γραμμές επεκτείνονται ακτινικά προς όλο τον χώρο (σχήμα 2). Αν το φορτίο αρχίζει να επιταχύνεται προς τα δεξιά, μετά επιβραδυνθεί μέχρι να σταματήσει και μετά επιταχυνθεί ξανά προς τα αριστερά και επιβραδυνθεί μέχρι να σταματήσει, κ.ο.κ όπως φαίνεται στο σχήμα 3, δηλαδή αν επί της ουσίας, θέσουμε το ηλεκτρικό φορτίο σε ταλάντωση, τότε οι δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου θα αποκτήσουν μία κυματοειδή μορφή που θα είναι συνέπεια της κυματοειδούς (στο χώρο) ή ταλαντωτικής (αν προτιμάτε) κίνησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Οι κίτρινες γραμμές αντιπροσωπεύουν τις δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου, ενώ η κόκκινη τελεία είναι το ηλεκτρικό φορτίο. Στην αριστερή εικόνα το φορτίο είναι ακίνητο. Στη δεξιά ταλαντώνεται με κάποια συχνότητα, οπότε αυτές οι ταλαντώσεις μεταφέρονται στις δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου, οι οποίες τώρα παρουσιάζουν μία κυματοειδή μορφή στο χώρο.

Αυτές οι μεταβολές που θα παρουσιάζει το ηλεκτρικό πεδίο, θα προκαλέσουν τη δημιουργία ενός αλληλένδετου μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου (ήδη από τον 19o αιώνα, ο Faraday, ουσιαστικά ανακάλυψε πως ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει γύρω του ένα εξίσου μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο ενώ σήμερα γνωρίζουμε πως συμβαίνει και το αντίστροφο). Έτσι, έχουμε δυο αλληλένδετα μεταβαλλόμενα πεδία (ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό) όπου η παρουσία του ενός «τροφοδοτεί» τη παρουσία του άλλου, ενώ αυτά μαζί, ως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο/κύμα, διαδίδονται στο χώρο. Το πόσο γρήγορα ταλαντώνεται ένα φορτίο, καθορίζει τη συχνότητα (άρα και την ενέργεια, όπως θα δούμε παρακάτω) του ηλεκτρομαγνητικού κύματος (βλέπε και σχήμα 4 όπου καθορίζεται όλο το φάσμα συχνοτήτων ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος). Η ύλη, κάθε αντικείμενο γύρω μας, αποτελείται από άτομα, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτία τα οποία εκτελούν επιταχυνόμενη κίνηση (π.χ. το «νέφος» των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων γύρω από

17 00_soma_fysika_fainomena.indd 17

29/6/2018 3:03:31 μμ

ΧΡΗΣΤΟΣ Γ. ΝΤΟΥΝΤΟΥΛΑΚΗΣ

τον πυρήνα του ατόμου). Επομένως, κάθε αντικείμενο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Φορείς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είναι τα φωτόνια. Αποτελούν τα κβάντα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και προτάθηκαν έμμεσα από τον Planck, ως μηχανισμός εκπομπής φωτεινής ενέργειας σε «πακέτα». Αυτή η ιδέα ήταν επιβεβλημένη για να επιλύσει προβλήματα που είχαν ανακύψει τότε, σχετικά με την ακτινοβολία μέλανος σώματος (βλέπε κεφάλαιο περί Κβαντικής επανάστασης, στον τόμο ΙΙ). Στο ορατό φάσμα, στο κάτω μέρος του σχήματος 4, χρησιμοποιούνται και κάποιες άλλες μονάδες όπως το νανόμετρο –9 (1 nm = 10 m = 0.000000001 m) και το Angstrom –10 (1 A = 10 m = 0.0000000001 m).

Χαρακτηρίζεται από τη συχνότητα f (ή το μήκος κύματος λ) του κύματος που διαδίδεται και ανάλογα με αυτήν κατατάσσεται σε ραδιοκύματα, μικροκύματα, υπέρυθρη, ορατή και υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ και γ (σε σειρά αύξουσας συχνότητας, άρα φθίνοντος μήκους κύματος). Αυτό είναι το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (βλέπε και σχήμα 4). Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα (δηλαδή όσο μικρότερο το μήκος κύματος) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ενέργεια (Ε) αυτής, σύμφωνα με τη σχέση E=hf με h μία σταθερά που λέγεται σταθερά του Planck. Αυτή η σχέση, με τη βοήθεια της θεμελιώδους κυματικής εξίσωσης (με υ = c καθώς εδώ το κύμα κινείται με c, άρα ισχύει c = λf → f = c/λ) γίνεται Ε = hc/λ όπου φαίνεται πως μικρότερο μήκος κύματος ακτινοβολίας λ, συνεπάγεται μεγαλύτερη ενέργεια Ε, καθώς τα μεγέθη είναι αντιστρόφως ανάλογα.

18 00_soma_fysika_fainomena.indd 18

29/6/2018 3:03:31 μμ

ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ | ΤΟΜΟΣ Ι

Πόλωση – Πολωτές – Πολωμένο φως Τι είναι η πόλωση;

Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα, καθώς αποτελείται από ταλαντώσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Η πόλωση του φωτός, συμβατικά καθορίζεται από την διεύθυνση ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου.

Το σχήμα 1 είναι απλοποιημένο, με στόχο να περιγράψει με συντομία και 1 απλότητα τη διαδικασία της πόλωσης. Αν θέλουμε να είμαστε πιο λεπτομερείς, ο πολωτής αποτελείται από παράλληλες λεπτές μεταλλικές γραμμές, οι οποίες έχουν τη διεύθυνση της πόλωσης που τελικά δεν θα περάσει. Το φως, συνήθως αποτελείται από ένα συνδυασμό πολώσεων. Όταν φτάσει στον πολωτή, τότε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φως) με συνιστώσες ηλεκτρικού πεδίου που ταλαντώνονται παράλληλα στις μεταλλικές γραμμές του πολωτή, θέτουν σε ταλάντωση τα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Έτσι, οι γραμμές αυτές, ουσιαστικά συμπεριφέρονται όπως μία αγώγιμη επιφάνεια πάνω στην οποία προσπίπτει ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φως), κάτι που συνεπάγεται ανάκλαση του συγκεκριμένου κύματος. Από την άλλη, τα κύματα του προσπίπτοντος φωτός με ηλεκτρικό πεδίο που ταλαντώνεται κάθετα στις μεταλλικές γραμμές του πολωτή, διέρχεται ανεμπόδιστο, καθώς τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μόνο κατά μήκος των γραμμών (σχήμα 2).

Σε ένα τυχαία πολωμένο ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φως), ένας γραμμικός πολωτής, μπορεί να επιτρέπει τη δίοδο μιας συγκεκριμένης πόλωσης απορρίπτοντας όλες τις υπόλοιπες. Επομένως, ο πολωτής μετατρέπει το φως που έχει έναν συνδυασμό πολώσεων, σε φως με συγκεκριμένη και καθορισμένη πόλωση (δηλαδή το φως που εξέρχεται από τον πολωτή, έχει ένα καθορισμένο επίπεδο στο οποίο ταλαντώνεται το ηλεκτρικό του πεδίο στον χώρο).

Υπάρχουν και πολώσεις του εισερχόμενου (μη πολωμένου) φωτός που είναι σε τυχαίες γωνίες (π.χ. διαγώνιες), παρόλο που στο σχήμα, για σχεδιαστική ευκολία, έχει σχεδιαστεί μόνο η παράλληλη και η κάθετη. Και πάλι, το διάνυσμα ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου που σχηματίζει τυχαία γωνία με το οριζόντιο επίπεδο, μπορεί να αναλυθεί σε δύο κάθετες μεταξύ τους συνιστώσες. 2 Επομένως, η συνιστώσα αυτών των «τυχαίων» πολώσεων που είναι παράλληλη με τις γραμμές του πολωτή ανακλάται, ενώ η κάθετη διέρχεται από τον πολωτή.

19 00_soma_fysika_fainomena.indd 19

29/6/2018 3:03:31 μμ

238 × 326 SPINE: 18 FLAPS: 0

ΤΟΜΟΣ Ι

ΤΑ ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

ISBN 978-960-564-653-0

ΧΡΗΣΤΟΣ Γ. ΝΤΟΥΝΤΟΥΛΑΚΗΣ

0000_cover_fysika_fainomena.indd 1

ΕΚΔΟΣΕΙΣ

ο σ ε λ ότ ο ς

6/25/2018 1:38:24 PM