Fyzikální poradna

10. 08. 2020

Vnímání času

Dobrý den, měl bych prosbu o vysvětlení mé myšlenky. Lidské oko má nějaké FPS které dokáže postřehnout, podle internetu je to od 24 fps pro lidské oko plynulý obraz. Včela má mezi 60–120 fps, takže ji čas plyne pomaleji, jelikož daný okamžik postřehne více vjemů. Takže jak člověk objevil čas a hodiny tak jak jej známe, že cca 24 hodin trvá otočení země kolem své osy, že minuta má 60 s atd, tak je to čas popsán k lidskému oku? Jelikož pro včelu bude lidská hodiny trvat daleko déle, tak samo otočení země kolem osy. Takže když nad tím přemýšlím, tak včela vnímá 2–3krát více okamžiku a impulsů kolem sebe. A jestli to tak nějak je, tak žádné vzorce v kterých je rychlost, nemůžou být pravdivé, když rychlost je čas a vzdálenost ale čas jak ho známe je jen pro lidské oko v tedle formě. Takže třeba E=mc2 je pro nás E=m*299792458m/s na 2, ale pro včelu je to jen E=m*100000000m/s na 2... Děkuji moc za vysvětlení. Ondřej D.

 

Ahoj Ondro,

děkujeme za dotaz z pomezí biologie a fyziky. Vždy mě potěší, když lidé přemýšlejí nad světem kolem sebe a nad různými souvislostmi. A pak mě potěší, že vše jde vysvětlit jednoduše a i s využitím pojmů, které nám mohou přijít nezajímavé.

Při vysvětlení si vystačíme se základními jednotkami a jejich definicemi. Určitě jsi se je učil, stejně jako další naši čtenáři. Asi to není úplně to nejzajímavější na fyzice, ale při hlubším zamyšlení musíme pochválit vědce, kteří se definicí základních jednotek zabývali. Jen v rychlosti uvedu, že máme celkem 7 základních jednotek, díky nimž jsme schopni odvodit všechny ostatní jednotky.

Definice základních jednotek je provedena tak, aby bylo možné ji kdykoliv znovu změřit se stejným výsledkem, nezávisle na místě, čase a dalších podmínkách. Před zavedením základních jednotek byly definice jednotek různé a těžko znovu měřitelné (např. se traduje, že 1 yard byl definován jako vzdálenost mezi špičkou nosu a prostředníkem předpažené ruky anglického krále Jindřicha I., což jistě není moc praktické).

Sekunda byla původně definována jako část jednoho dne (přesněji např zde: https://cs.wikipedia.org/wiki/Soustava_SI#Sekunda), dnes jsou k určení 1 sekundy využity atomové hodiny. V žádné definici základních jednotek nejsou uvažovány subjektivní vlivy pozorovatele.

Pro ptáka či včelu je jeden den stejně dlouhý jako pro nás, jen z tohoto dne bude mít jejich mozek více „snímků“ ke zpracování. To, že jsme vycházeli z dvanáctkové soustavy při určení počtu hodin za den a počtu minut/sekund v hodině je jen naše vyjádření času. Čas však ubíhá nezávisle na tom, jak jej měříme. Není to tak, že FPS lidského oka určuje čas, ale jednotky času, které jsme si vybrali použijeme k určení počtu snímků za naší jednotku času. Ale lidské oko (stejně jako jako oko včely) by fungovalo stejně, kdybychom čas měřili v úplně jiných jednotkách, jen samotné číslo by bylo jiné. Jako když si koupíte např. čtvrtlibrák se sýrem v USA (https://www.youtube.com/watch?v=3ZrbxcjaE4s) tak dostanete Royal se sýrem ;).

S tím souvisí i hodnota rychlosti světla – v (našem) metrickém systému je to známá hodnota cca 300 000 km/s, v imperiálních jednotkách je to jiné číslo. Ale to vůbec neznamená, že by čas u nás a např. ve Velké Británii utíkal jinak.

Pokud to shrnu svět kolem nás se chová nezávisle na jednotkách, které jsme si k jeho popisu vybrali. A díky našim předkům jsme si jednotky dokázali definovat tak přesně, že jsme schopni přesně určit rozměry atomového jádra či měřit čas s odchylkou 1 sekunda za 60 000 000 let.

Doufám, že se mi podařilo jak zodpovědět tvou otázku, tak i motivovat naše čtenáře ke studiu historie definice jednotek. Můžete se například dozvědět, proč Velká Británie nepřijala metrický systém.


Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická  Dukelská 13, České Budějovice

1

Autor

Jaroslav Koreš

16. 06. 2020

zkrat v televizi

Dobrý den, chtěl bych vás požádat o odbornou radu a předem děkuji za odpověď. Před několika dny v našem městě došlo k výpadkům proudu, který se opakoval asi 20x během cca třech hodin. Měli jsme zapnutou televizi a po prvním výpadku a následném zapnutí proudu už televize vůbec nefungovala. Dali jsem ji do opravny a tam mně bylo sděleno, že závada možná vznikla v důsledku výpadku proudu a že je zkrat na základní desce. Proto bych se chtěl zeptat, jestli zkrat může být způsoben tím, že došlo k přepětí v síti. Jsem laik, proto se na vás s tímto dotazem obracím. Velice vám děkuji. S pozdravem Miroslav


Dobrý den Miroslave,

děkujeme za dotaz do naší odpovědny, myslím, že nejste sám, komu se něco podobného stalo.

Nejdříve bych se věnoval zkratu „základní desky“. Elektronika se dnes obvykle vyrábí tak, že velké množství součástek je integrováno na plošném spoji. To je možné díky tomu, že jsme schopni dříve velké součástky nahradit polovodičovými, které dokážeme výrazně miniaturizovat. Výhodou je úspora místa a výrobních nákladů, nevýhodou je citlivost polovodičů na změnu provozních podmínek (např. elektrické napětí) a také obtížná oprava jednotlivých součástek. Obvykle se mění celá základní deska, než aby byly měněny jednotlivé součástky. Pokud dojde k tomu, že se zvýší napětí na součástce, vzroste i proud, který jí protéká a může dojít k jejímu „spálení“. Tato součástka se pak chová jako vodič (představme si obyčejný drát). A protože drát má malý odpor, protéká součástkou a tudíž i celou deskou velký proud. Navenek hovoříme o zkratu (spotřebič nemá téměř žádný elektrický odpor a tudíž jím teče vysoký elektrický proud).

Otázkou je, jak došlo k tomu, že v síti bylo vyšší napětí. V zásuvkách máme napětí 230 V (s tolerancí 10 %). Distributor elektrické energie musí konat tak, aby napětí bylo stále v tomto rozmezí. To není vůbec jednoduché, protože v čase se mění odběr elektřiny.

Pokusím se tyto změny vysvětlit na analogii s proudem vody. Představte si, že máme např. potok, který vytéká z nádrže. Čím výše je nádrž, tím rychleji potok teče. Jako spotřebiče si můžeme představit malé mlýnky. Voda mlýnek roztáčí a tím mu předává část své energie. Mlýnek se tudíž točí a voda zpomaluje. Výška nádrže musí být taková, aby voda roztočila všechny mlýnky v potoce. Pokud by byla hladina nižší, mlýnky se budou otáčet pomalu (zjednodušeně to poznáme tak, žárovky budou svítit slabě), pokud by byla hladina vysoko, tak se mlýnky budou točit moc rychle (žárovka praskne). Problémem je, že počet mlýnků ve vodě se v čase mění (dochází k zapínání a vypínání spotřebičů). V našem případě s potokem je tedy nutné hýbat s hladinou vody podle toho, kolik a jak silných mlýnků je aktuálně v potoce.

Pokud se stane, že velká část mlýnků najednou zmizí, bude potok krátkou chvilku protékat mnohem rychleji a ostatní mlýnky se budou najednou otáčet velmi rychle. A to se stalo i vaší televizi.

Pokud dojde k výpadku elektřiny v části rozvodné soustavy (vyndali jsme několik mlýnků), může dojít na funkční části k tzv. přepětí – na krátkou chvíli v ní bude vyšší napětí (mlýnky v této části se budou točit rychleji). Čím větší část soustavy odpadne, tím větší může být napěťová špička. Lze se tomu bránit použitím ochranných zásuvek s přepěťovou ochranou.

Popsal jsem dle mého nejpravděpodobnější důvod vzniku přepětí (je možné i přepětí z důvodu bouřky). Je možné, že k zničení televize došlo i z jiného důvodu, ale to nejsem bez dalších podrobností schopen říci.

Doufám, že jsem alespoň částečně osvětlil vznik přepětí a hlavně poukázal na to, že mít doma v zásuvce stabilní napětí není vůbec samozřejmé a je s tím spojeno hodně práce (a fyziky).


Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

2

Autor

Jaroslav Koreš

16. 03. 2020

Výroba ultrazvukové čističky

Dobrý den, přemýšlím o vyrobení ultrazvukové čističky. Dotaz je, zda lze k tomu využít ultrazvuková píšťalka na psy? Jako pohon kompresor, nebo vzduchovací motorek do akvária. Děkuji a přeji hezký den, Honza

Ahoj Honzo,

děkujeme za otázku do naší poradny, ale bohužel tě budu muset zklamat. Nepůjde to.

Ultrazvukové píšťalky na psy mají frekvenci do cca 35 kHz (to je frekvence, kterou psi ještě vnímají), kdežto ultrazvukové čističky pracují na vyšších frekvencích. To je první a nejjednodušší důvod, proč to nepůjde. Druhý spočívá v tom, v jakém prostředí se píšťalka používá – to je vzduch. Ale ultrazvukové čističky potřebují ke své funkci kapalinu (např. vodu). V kapalině vlivem rychlého zvyšování a snižování tlaku dochází k tzv. kavitaci – v místech, kde tlak prudce klesne dochází ke vzniku bublin, které prudce implodují (zbortí se) a při tom odtrhují nečistoty z čištěného předmětu.

Vodu ovšem tak jednoduše jako sloupec vzduchu v píšťale nerozkmitáme, takže samotný průtok vody v píšťalce vůbec neznamená, že se voda bude chovat jako vzduch. Asi bych to porovnal s případem, kdy bychom pískali na normální píšťalku ve vodě – také z ní nic nevyloudíme. Dalším problémem je to, že čistička potřebuje příkon v řádech desítek wattů, což tebou navrhované řešení také nesplňuje.

A na závěr ještě jeden problém – protože frekvence zvuku závisí na „rozměrech“ tělesa (v tomto případě na výšce vzduchového sloupce v píšťalce) a prostředí, ve kterém vzduch vzniká, tak ve vodě by byla frekvence výrazně jiná, než ve vzduchu (pokud by se ti podařilo vodu v píšťalce rozkmitat).

Doufám, že i když jsem tvůj nápad vyvrátil, budeš potěšen alespoň z vysvětlení.

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická  Dukelská 13, České Budějovice

7

Autor

Jaroslav Koreš

26. 02. 2020

Prázdnou láhev plnou nenaplníš…

Dobrý den, rád bych se zeptal na následující věc. Mám dvě 8litrové tlakové lahve na CO2. Jedna je plná a druhá je úplně prázdná. Pokud plnou lahev otočím dnem vzhůru a zvednu ji nad úroveň první lahve, propojím a otevřu ventily, zajímá mě zda obsah první lahve (kapalné CO2) přeteče vlastní vahou do prázdné lahve nebo se pouze vyrovnají tlaky a nic se dít nebude. Vzhledem k tomu, že kapalné CO2 má jiné vlastnosti než voda, tak mě zajímá jak se to bude chovat a zda lze tímto způsobem přepustit celý obsah jedné lahve do druhé nebo se přepustí jen část do vyrovnání tlaků ? Díky za odpověď. Pavel V.

Ahoj Pavle,

děkujeme za dotaz do naší poradny, nejsi jediný, kdo podobný problém řeší – před půl rokem jsem stejnou otázku řešil s kamarádem. Ten na problém šel od konce – nejdřív to zkusil a pak zjišťoval, proč to nejde. Takže jsem vlastně odpověděl na tvůj dotaz – nic (výrazného) se dít nebude. Další otázkou je proč tomu tak bude. Kvůli velkému tlaku v obou nádobách dojde k jeho rychlému vyrovnání v obou lahvích. Z plné nádoby kapalný CO2 ubyde, ale ne tak, že by přetekl - vypaří se.

Kapalný CO2 přetékat nebude – jeho průchodu ventilem v lahvi bude bránit tlak, který je v prázdnější lahvi.

Když bychom slepili 2 víčka od PET lahví a udělali do nich tenkou díru, tak si to můžeme i snadno ověřit. Aby přetékání fungovalo, musí docházet k výměně vzduchu s kapalinou – tím, že do prázdné láhve nateče kapalina, zvýší se tlak v lahvi. Proto nebude z místa o nižším tlaku (plná lahev) přetékat kapalina do místa s vyšším tlakem (prázdná nádoba). Aby přetékání fungovalo, musíme umožnit plynu vyměnit si objem s kapalinou. Pokud bude otvor, kterým má kapalina protékat malý, tak se nebude dít nic. Řešením by také byly 2 otvory – jeden pro přitékající kapalinu a jeden pro odcházející plyn. V případě PET lahví můžeme pomoci přelévání vody stlačením plné PETky. Tím zvýšíme tlak v horní nádobě. Kdybychom chtěli něco podobného udělat s nádobami na CO2, museli bychom plnou nádobu zahřát (tím se uvnitř zvětší tlak) a prázdnou nádobu ochladit. Ze stavové rovnice bychom mohli spočítat, jaký to bude mít vliv, ale v dosažitelných (a bezpečných hodnotách) bych výrazné rozdíly nečekal.

Z doslechu vím, že k řešení problému se používají speciální pumpy.

Šlo by také udělat něco podobného, jako na tomto videu: https://www.youtube.com/watch?v=ZlfRKjc6bjo, ale nejsem si jistý, jak by se podařilo roztočit kovové nádoby.

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

6

Autor

Jaroslav Koreš

17. 02. 2020

Ohřej si vodu, ať ti zmrzne rychleji…

Vážený pane doktore, v návaznosti na předchozí dotaz prosím o vysvětlení následujícího jevu: Když necháte na mrazu dvě identické nádoby jednu se studenou a druhou s horkou vodou, zamrzne dříve ta horká. Předpokládám, že v tom hraje roli skupenské teplo a rychlejší změna teploty díky odpařování. Údajně se ale podobně chová i voda uzavřená v potrubí (např. topení po vypnutí kotle), která se nemá kam odpařit (pominu-li expanzní nádobu). S přáním hezkého dne Ing. arch. Luboš K.

Dobrý den,

děkuji za pozornost, kterou věnujete naší poradně a za navazující dotaz.

To, co popisujete, se nazývá Mpembův jev. Erasto Mpemba si všiml toho, že v mrazáku zamrzne teplá voda rychleji, než studená. Ale je důležité si uvědomit, že to není pravidlo – tato situace nastává jen někdy, obecně lze říci, že čím větší mrazák, tím spíše k rychlejšímu zrznutí horké vody dojde. Myslím, že důvod, proč se tak voda chová nebyl zatím uspokojivě vysvětlen, stejně tak jako nebyly popsány podmínky, za kterých k tomuto podivnému chování dojde.

Z pohledu fyziky je to podivné – k ochlazení horké vody je zapotřebí odebrat více tepla, než od vody studené. Pokud je „mrazivý“ výkon okolí v obou případech stejný, tak ze vzorce W=P.t (práce/energie je součin výkonu a času) vyplývá, že 2x teplejší voda se bude ochlazovat 2x delší dobu.

Zdá se tedy, že teplota vody má vliv na „mrazivý“ výkon okolí – víme např., že teplená výměna probíhá rychleji při vyšším rozdílu teplot. Horká nádoba se může „protavit“ ledem více k chladícímu zařízení, při „protavení“ je větší část vody se stykem s okolím a tudíž bude tepelná výměna probíhat rychleji, než kdyby byla nádoba jen v chladném vzduchu. Těch vlivů je opravdu hodně, včetně Vámi navrhovaného rychlejšího vypařování horké vody – čím více vody se vypaří, tím menší množství vody musí zmrznout.

V minulosti se jeden náš žák experimentálně potvrdit tento jev – podařilo se mu to jen v pár případech a jasný postup, jak dosáhnout toho, že horká voda zmrzne rychleji nezjistil.

Je to sice zajímavé, že horká voda zmrzne rychleji, ale opět upozorňuji, že jde spíše o výjimku, než pravidlo.

To, že by k jevu došlo v případě vody, uzavřené v potrubí bych nečekal a ani jsem to nikdy nezaregistroval.

Jedná se spíše o experimentální problém – můžete se pokusit zjistit, jaké jsou podmínky pro to, aby Mpembův jev nastal a pak nás o svých zjištěních informovat, mě a myslím, že i naše čtenáře by to zajímalo.

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

3

Autor

Jaroslav Koreš

10. 01. 2020

Elektrický spotřebič ve vaně

Už delší dobu řeším problém: Často vidíme ve filmech, že se někdo koupe ve vaně a jiný do vody hodí nějaký zapnutý el. spotřebič a koupající se osoba zemře. TO se mně jeví jako nesmysl, protože kovová vana je uzemněná a spotřebič ve vodě vypne el. jistič. Ve škole jsme kdysi dělali pokus, že voda vedla el. proud až jsme ji pořádně osolili. Děkuji za vysvětlení. Štěpán

Ahoj Štěpáne,

doufám, že tento problém řešíš pouze v teoretické rovině.

Pokus, který popisuješ byl nejspíše proveden s destilovanou vodou – ta neobsahuje ionty, což jsou volně pohyblivé nabité částice. Podmínkou vedení el. proudu je to, že materiál, kterým chceme el. proud vést obsahuje volně pohyblivé nabité částice. V kovech jsou to typicky volné elektrony, v kapalinách a plynech ionty. Přidáním soli do destilované vody dojde k disociaci – molekula soli NaCl se rozloží na ionty Na+ a Cl-. Pak voda může vést. Voda z kohoutku již různé ionty obsahuje a tudíž je vodivá.

Vana by měla být uzemněná a uzemnění by mělo být s co nejmenším přechodovým odporem (schválně píši mělo by). Jistič se vypne při jmenovitém proudu, který je na něm uveden za cca 0,1 sekundy (záleží na typu jističe a protékajícím proudu).

Protože pro člověka je nebezpečí střídavého proudu typicky v tom, že bude působit frekvencí 50 Hz na srdce, které má frekvenci cca 1 Hz, neočekával bych, že za tak malou dobu dojde zásadnímu vlivu na činnost srdce (5 střídavých pulzů do doby vypnutí), popálení za tak malou dobu také jistě nebude smrtelné.

Problém by však nastal, pokud proud při vhození spotřebiče do vany nebude dostačující k vypnutí jističe – 10 A jistič vypne při proudu 10 A. Z Ohmova zákona můžeme spočítat, že odpor vody a uzemnění vany by musel být menší, než 23 Ohmů (230/10). Pokud by byl odpor vyšší, tak jistič nevypne. Proto by měl být v koupelnách instalován proudový chránič, který je schopen vypnout při proudech v řádech desítek mA. Smrtelný proud pro člověka se udává kolem 150 mA. S klasickým jističem tedy může nastat situace, že proud bude nižší, než zkratový proud jističe a tudíž nedojde k jeho rozpojení, ale bude mnohem vyšší, než proud, který je pro člověka smrtelný (navíc ve vodě je odpor povrchu těla nižší).

Celý příklad popisuje situaci, kdy byla do vody přivedena jen fáze – pokud do vany vhodíme spotřebič, tak má připojený i nulový vodič a vzdálenost mezi oběma póly je jistě nižší, než mezi fází a vanou. Tudíž by jistič spíše vypnul.

Co si vybavuji, tak ve filmech je vhozen typicky fén, okamžitě se zajiskří a vypadnou jističe – v tomto případě bych smrt neočekával.

Celá situace se ještě komplikuje kvůli tzv. ekvipotenciálním hladinám – ve vodě vzniknou místa s rozdílným potenciálem (zjednodušeně napětím) a výsledné napětí je rozdíl potenciálů dvou různých míst. Stejný efekt se uplatňuje u tzv. krokového napětí u např. drátů spadlých na zem.

Pokud bych měl na závěr svou odpověď zjednodušit, tak uvedenému scénáři z filmů nevěřím, ale nezkoušel bych to ;)

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

8

Autor

Jaroslav Koreš

První
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .. 14
Poslední

Zadání dotazu

Máte nějaký dotaz?

Pokud se chcete na něco zeptat, napište e-mail s předmětem "Fyzikální poradna" na emailovou adresu

poradna@svetenergie.cz
Skupina ČEZ

Kontaktní informace

Máte-li k obsahu portálu jakékoliv náměty, postřehy či připomínky – prosím kontaktujte nás. Budeme vděční i za připomínky k nekorektnímu zobrazení stránek, či případnému upozornění na chybu. Děkujeme.


email:info@svetenergie.cz

Kontaktní formulář

KONTROLNÍ KÓD

kontrolní kód Opište prosím do políčka formuláře
text z obrázku

Portál Svět energie provozuje společnost ČEZ. Vyrobil Simopt, s.r.o., Copyright © 2016, Všechna práva vyhrazena

detail