Fyzikální poradna

19. 03. 2019

Magnetické úhelníky pro svářeče

Dobrý den, setkal jsem se s magnetickými úhelníky pro svářeče, které dočasně pod příslušným úhlem přidrží svařované železné profily. Některé z nich mají páčku, která jejich magnetické pole "zapne nebo vypne". Zajímalo by mě, jak tento "vypínač" funguje. V žádném případě nemůže jít o elektromagnetismus, úhelníky nejsou nijak elektricky napájeny. Foggy

Ahoj Foggy,

děkujeme za zajímavou otázku – shodou okolností jsem tento problém řešil s kolegy fyzikáři na společném setkání a pokud se dobře pamatuji, tak jsme se všichni shodli na fyzikální podstatě magnetického úhelníku.

Myslím, že se v tomto případě jedná o dva různé fyzikální jevy – tření a magnetické pole.

Začneme magnetickým polem. Určitě víš, že magnet má kolem sebe magnetické pole. Toto pole znázorňujeme (i popisujeme) pomocí magnetických indukčních čar (siločar magnetického pole). Jejich hustota souvisí s intenzitou (silou) magnetického pole. Čím více siločar je v daném místě, tím silněji zde magnetické pole působí.

Prostředí kolem magnetu má na magnetické indukční čáry vliv – může je vypuzovat (tzv. diamagnety) anebo do sebe vtahovat (tzv. para- a fero- magnety).

Pokud dáš dva magnety opačnými póly vedle sebe, bude mezi nimi magnetické pole. Jestli póly magnetu spojíš feromagnetem (např. železem), tak železo indukční čáry „vtáhne“ do sebe – a tudíž v okolí magnetů indukční čáry nebudou (nebo jen velmi řídké), protože jsou v železe. Takto jednoduše odstíníš magnetické pole.

Víme tedy jak na „vypnutí“ magnetu, jenže ještě musíme vysvětlit, proč k tomu stačí relativně malá síla – magnet v úhelníku je velmi silný a my k němu můžeme přiložit/odtáhnout železo, abychom do něj dostali magnetické indukční čáry. A to je druhý jev – tření. Pokud by se železná destička otáčela kolem osy tak, aby v jednom případě spojila severní a jižní pól magnetů (a tak „vypnula magnetické pole), a při jejím otočení o 90 ° by se póly rozpojily, očekávali bychom nutnost působit velkou silou. Je pravda, že přitažlivá síla magnetu bude velká, ale my při otáčení působíme kolmo na magnetickou sílu. Musíme tedy překonat ne tuto magnetickou sílu, ale třecí sílu mezi magnetem a otočnou destičkou. Velikost třecí síly závisí jak na síle, která „mačká“ oba povrchy na sebe (v tomto případě magnetická síla), tak i na jejich hrubosti. Pokud budou oba materiály (magnety a otočná destička) dostatečně hladké, bude koeficient smykového tření např. 0,1, neboli třecí síla bude 10x menší, než síla magnetická.

Pokud by tě problém ještě více zajímal, zkus třeba svého fyzikáře, nebo se podívej na video na tomto odkazu: https://interestingengineering.com/video/build-on-off-switch-for-permanent-magnet

Na videu je návod na vytvoření „vypínače“ magnetického pole. Zkus si ho vyrobit a uvidíš, jestli funguje tak, jak je popsáno výše. Rád  bych tvoje zkoumání pak přednesl svým kolegům jako důkaz, že vytvoření vypínatelného magnetu je vlastně docela jednoduché.

Přeji hodně zdaru v této činnosti i při dalším fyzikálním bádání.

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

19

Autor

Jaroslav Koreš

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

10. 05. 2019

Jakou sílu měla hirošimská bomba?

Dobrý den, zajímalo by mě jakou sílu měla hirošimská bomba. Totiž, co si mám představit, když se řekne, že třeba nějaká živelná katastrofa měla sílu xy hirošimských bomb. Zní mi to podobně nepředstavitelně jako "koňská síla" pod kapotou. Děkuji Tereza

Ahoj Terezo,

děkuji za projevenou důvěru a další dotaz.

Když bych napsal bomba Little boy, svržená na Hirošimu měla účinky ekvivalentní 15 kilotunám TNT, tak to většině lidí asi nic moc neřekne. Lze dohledat, že 1 gram TNT uvolní výbuchem energii cca 4,2 kJ. Což je vlastně hodnota měrné tepelné kapacity vody. Takže 100 g TNT uvolní tolik energie, že by ohřála litr vody z teploty 0 °C na 100 °C. Teď už jen stačí vymýšlet přirovnání – buď na teplo z kalorimetrické rovnice, nebo na energii.

Pokud byl ekvivalent TNT v případě Hirošimské bomby 15 kilotun, tak bychom dostali k varu vodu o objemu 150 000 000 litrů, což je 150 000 m3. Pokud má rybník Rožmberk objem 5 miliónů m3, zvýšila by se v něm při dodání stejné energie teplota o 33 °C.

Nebo můžeme hledat příklady jinde – jaderná elektrárna Temelín by odpovídají množství energie (63 TJ) „vyrobila“ za cca 32 000 s, což je necelých 9 hodin.

Také můžeme zkusit příklad přes kinetickou energii – auto, jedoucí po dálnici rychlostí 130 km/h má kinetickou energii zhruba 1 MJ. Muselo by se tedy srazit 64 miliónů aut (najednou), aby celková energie při nárazu byla zmiňovaných 64 TJ.

Nebo můžeme porovnat historické události – největší výbuch před použitím jaderné bomby byl Halifaxský výbuch, při této havárii explodovalo 2 400 tun výbušnin, tedy cca 6x méně, než v případě hirošimské bomby. Při bombardování Drážďan ve 2. světové válce bylo shozeno necelých 4 000 tun trhavin (cca 4x méně, než byl ekvivalent bomby Little boy), ale muselo vzlétnout 1 300 letadel. Podle mého názoru je na těchto příkladech vidět obrovská koncentrovanost energie u jaderných zbraní. Jen mimochodem – ze vztahu E=m.c2 můžeme spočítat, že změna hmotnosti, způsobená uvolněním tak obrovské energie je zhruba 0,7 gramu. Tedy 2.10-5 procent hmotnosti zmiňované bomby.

Nakonec ještě jedno srovnání – nejsilnější jaderná bomba (přesněji vodíková), tzv. „Car Bomba“ měla ekvivalent necelých 60 Mt TNT, takže vše výše spočítané by bylo pro tuto bombu nutné vynásobit 4 000. Tolikrát silnější Car bomba byla.

Poslední poznámka – na uvedeném je také vidět, jak špatně máme zavedené určování jednotek hmotnosti. Kilotuny jsou vlastně gigagramy, nebo megakilogramy.

Snad ti uvedené příklady pomohly s představou o ničivé síle jaderné bomby. Je štěstí, že byly zatím proti lidem využity jen dvě. Zajímavou otázkou je důvod výběru míst, kam byly bomby svrženy. Ale to nechám na zvídavosti našich čtenářů ;)

 

2

Autor

Jaroslav Koreš

21. 05. 2019

Ochlazování a odpařování kapalin

Dobrý den, při pití kávy jsem se před kolegy na pracovišti vyjádřil, že je již studená. A dalšími myšlenkovými pochody jsme dospěli až k otázce, jestli kafíčko může být chladnější než okolní vzduch. Úvaha probíhala asi takto: káva má např. počáteční teplotu 50°C a teplota v místnosti 20°C. Kafčo se postupně ochlazuje až na oněch 20°C, která je v místnosti. A nyní nastává klíčová otázka. Může se káva ochlazovat pod tuto teplotu?  Když se káva dále odpařuje, tak snad dochází také k jejímu ochlazování. Nedává nám to spát, natož tak pracovat J Díky za vysvětlení, Josef

Ahoj Josefe,

budu se snažit vám uklidnit spaní a také zvýšit produktivitu práce.

Přemýšlíte správně – při vypařování se z kapaliny uvolňují nejenergetičtější (a tedy nejteplejší) molekuly a kapalina tak chladne.

Tento děj probíhá stále a kapalina se tedy stále ochlazuje. Rychlost vypařování závisí (mimo jiné) na teplotě kapaliny, proto se horká káva vypařuje (a tudíž ochlazuje) rychleji. Tudíž by to, co píšete, byla pravda.

Jenže to není tak jednoduché – musíme vzít v potaz i okolí. Mezi okolím a horkou kávou probíhá tepelná výměna – káva se ochlazuje i kvůli tomu, že předává teplo okolnímu vzduchu. Tento děj má na změnu teploty kávy vyšší vliv, než vypařování.

Pokud se káva dostane na teplotu okolí, nebude tepelná výměna probíhat. Káva se bude však dále vypařovat a tudíž ochlazovat. Jenomže pak bude chladnější než okolní vzduch a od něj se tedy bude ohřívat.

Očekával bych, že tato situace bude mít za následek, že teplota kávy bude nižší než okolí, ale jen minimálně.

Pravdu tedy ve své úvaze máte, ale rozdíl teplot bude velmi malý.

Přeji úspěšné dny u kávy v práci a chválím přemýšlení nad jevy v našem okolí.

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

4

Autor

Jaroslav Koreš

28. 05. 2019

Kde je energie z anihilace částic po velkém třesku?

Dobrý den, mám dva dotazy:

  1. Po velkém třesku, vznikla jedna miliarda částic a jedna miliarda-1 antičástic, které spolu anihilovaly, a náš vesmír je tvořen tou 1 miliardtinou částic. Při té anihilaci částic a antičástic muselo vzniknout nepředstavitelné množství energie. Doslova miliardkrát víc, než kdyby se veškerá nynější hmota ve vesmíru změnila na energii. Kde je ta energie vzniklá po anihilaci hmoty a antihmoty? Vždyť je to miliardkrát víc, než kdyby se dnešní hmota změnila na energii.
  2. Kdyby se budoucím vědcům podařilo změnit energii na hmotu, bude to hmota, nebo antihmota?
S pozdravem Vladislav N.


Ahoj Vladislave,

děkuji za otázku do poradny, budu se snažit co nejlépe odpovědět, ale na úrovni učiva střední školy, na astrofyziku nejsem odborník.

To, co popisuješ na začátku je opravdu velmi zajímavé, protože částic a antičástic by mělo vznikat stejné množství. To souvisí se symetriemi ve fyzikálních zákonech. Fyzikální jevy v našem světě by měly být symetrické (dopadnout stejně), pokud je zrcadlově obrátíme (P symetrie), pokud je budeme provádět s obráceným nábojem (C symetrie) a také, pokud budou probíhat „obráceně v čase“ (T symetrie). Žádná z uvedených symetrií samotná v mikrosvětě nefunguje, ale všechny 3 dohromady (zdá se) platí. Toto popisujeme tzv. CPT symetrií. Avšak CP symetrie (jen symetrie náboje a polohy) v mikrosvětě dokonale neplatí a tudíž vzniklo při velkém třesku více částic, než antičástic.

Teď k tvojí otázce – asi je dobré si uvědomit, že hmota a energie je vlastně to samé, jen v jiné formě. Přirovnal bych to k penězům – můžeme mít peníze v eurech, nebo korunách. Jen je mezi nimi přepočet (kurz eura ke koruně). Eurové bankovky vypadají jinak, než české. Tak nějak je to s energií a hmotností – jen v tomto případě je přepočet konstantní, nezávislý na čemkoliv a roven c2 – kvadrátu rychlosti světla. A pak je odpověď na tvojí otázku jednoduchá – energie ani hmota po velkém třesku nikam nezmizela, jen se různě přeměnila (po anihilaci částic a antičástic) na to, co kolem sebe vidíme – tedy hmotu a na tzv. reliktní záření – tedy energii.

Problém je jen v tom, že energie reliktního záření je velmi rozředěná do okolního vesmíru. Ten se totiž rozpíná a tak je množství energie na určitý objem stále menší.

A k druhé otázce – měnit energii na hmotu již umíme a vždy to vypadá stejně – vytvoříme částici a antičástici. Je to příklad zmiňované T symetrie – jestliže spojíme částici a její antičástici (např. elektron a pozitron), uvolní se gama záření. Kdybychom celý jev natáčeli a pustili pozpátku, tak bychom viděli, jak z energie (gama záření) vznikly částice. A stejně (zjednodušeně řečeno) to funguje i při experimentech, kdy z energie dokážeme „vyrobit“ pár částice a její antičástice. Dnes už jsme tak daleko, že jsme schopni „vyrobit“ dokonce jednoduché anti-atomy.

Na úplný závěr doplním, že označení částice a antičástice je založeno na tom, že je pro nás lepší říkat, že vše kolem nás se skládá z části a opak nazvat antičástice. Pokud bychom to obrátili, tak by jsme mohli klidně říkat, že žijeme v antivesmíru, jsme složeni z antičástic a náš antivesmír by existoval jen díky tomu, že na miliardu antičástic bylo o jednu částici víc.

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

3

Autor

Jaroslav Koreš

30. 05. 2019

Rychlost na inline bruslích

Dobrý den, obracím se na vás s dotazem a prosbou o vysvětlení ... dotaz je zaměřen na inline brusle.  S kamarádem jsme přemýšleli, proč jsou v kategorii speed-inline bruslí brusle s velkými kolečky a v popisu udáno, že s nimi dosáhnu větších rychlostí. Při stejně vynaložené práci/síle/úsilí by měla být rychlost totožná jako u koleček malých? Předpokládáme, že kolečka jsou stejně široká a valivý odpor bude stejný, ložiska jsou taktéž stejná. Ještě jsme se dočetli, že může hrát roli moment setrvačnosti ... atd. Prosím o vysvětlení, jaké děje, veličiny zde hrají roli ... a jaká veličina je v tomto případě pro rychlost zásadní. Děkuji předem za odpověď, přeji hezký den. Honza.


Ahoj Honzo,

děkuji za další dotaz do naší poradny a chválím přemýšlení nad chováním in-line bruslí. Prvotní úvaha je správná – pokud vykonáme stejnou práci, tak by měla být energie (v tomto případě kinetická) také stejná. To by platilo v ideálním světě, ale v tom nežijeme.

Do situace vstupují totiž odporové síly. Ty jsou vesměs nezávislé na rozměru koleček, až na valivý odpor. Síla valivého odporu závisí jak na materiálu (ten je v obou případech stejný), tak na poloměru tělesa, které se valí. Tato závislost na poloměru je popsána nepřímou úměrou – čím větší poloměr, tím menší valivý odpor. A jako vše ve fyzice to dává smysl – pokud by sis představil, že budeš stát s bruslemi na např. polystyrénu či měkké gumě, uvidíš, že malá kolečka se do podložky více „zatlačí“. Tudíž je potřeba vykonat větší práci, aby se kolečka z takového důlku dostala.

Valivý odpor vlastně popisuje, jak se před kolečkem deformuje podložka – můžeme si to představit tak, že kolečko před sebou hrne kopec, který si samo vyhloubilo. Matně si vybavuji, že něco podobného jsem v mládí vídával při válení těsta – před válečkem byla také zvýšnina těsta, kterou váleček tlačil před sebou.

Pro úplnost dodám, že valivý odpor závisí také na materiálu (což také dává smysl) – jak koleček, tak podložky. To popisuje veličina rameno valivého odporu. A stejně jako u smykového tření závisí valivý odpor na tzv. normálové síle, tedy síle, která tlačí kolečko do podložky, což je obvykle tíhová síla.

Nakonec jen upozornění – čím vyšší rychlostí pojedeme,  tím horší mohou být následky při případném pádu. Navíc ne jen přímo úměrně, ale kvadraticky. Proto bych začátečníkům doporučoval menší kolečka.

To však není jistě tvůj případ.

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

1

Autor

Jaroslav Koreš

07. 06. 2019

Radium

Dobrý den, na stránce české wikipedie věnované prvku Radium čtu: Radium ve tmě poskytuje modré luminiscenční světlo.
zdroj: https://cs.wikipedia.org/wiki/Radium
Zajímalo by mě, jaký jev by to mohl mít na svědomí. V anglické verzi stránky o tom žádná zmínka není a všechno hledání googlem vede na luminiscenční barvy obsahující rádium, ale tam svítí luminofor, nikoliv samotné Rádium. Předpokládám, že na buzení Čerenkovova záření ve vzduchu není Radium dostatečně silný zářič. S pozdravem L.K.

 

Ahoj L.K.

Děkuji za otázku do naší poradny, tentokrát z radioaktivity.

Vezmu to od konce - o Čerenkovovo záření jít nemůže, protože ve vzduchu k tomuto jevu nedochází. Čerenkovovo záření je brzdné záření, které vydávají elektrony, pohybující se rychleji, než světlo (v daném prostředí). To není v rozporu s teorií relativity, protože rychlost světla např. ve vodě je 225 000 m.s-1. Je tedy možné (a také se tak děje), že některé elektrony mají rychlost vyšší, než 225 000 m.s-1 (ale samozřejmě nižší, než 300 000 m.s-1, což je rychlost světla ve vakuu). Ve vodě pak pozorujeme typicky modré záření - např. v jaderných reaktorech.

To, co je popisováno na Wikipedii je tzv. luminiscence, neboli světélkování. V principu jde o to, že některé látky přeměňují určitou formu energie na světelnou energii. Luminiscenci můžeme vidět např. u světlušek, výrazně bílé barvy v UV osvětlení, či u "fosforeskujících" číselníků hodinek.

V případě radia jde o to, že při rozpadu jádra tohoto radioaktivního prvku se uvolní částice (alfa, beta) a záření gama. Tyto částice a fotony při pohybu narážejí na okolní částice a předávají jim část své kinetické energie. Tím okolní částice vybudí do vyššího energetického stavu, ve kterém dlouho nevydrží a obdrženou energii ve formě fotonu vyšlou do okolí. A pokud je energie tohoto fotonu dostatečně velká, má foton frekvenci odpovídající viditelnému světlu. Takže částice z radonu vybudí částice okolního vzduchu a ty pak světélkují. Kdyby byl v okolí radonu jiný prvek než "vzduch" (což není prvek), tak by radium světélkovalo jinou barvou, nebo vůbec (myšleno ve viditelném spektru).

Tuto vlastnost radia využívali před zhruba 100 lety (tedy brzy po jeho objevu) různé firmy. Z dnešního pohledu nepochopitelné nám asi přijde přidávání radia do zubních past pro (doslova) zářivé zuby. Zajímavým příběhem je práce s radiem při malování ciferníků hodin - tzv.

Radium girls - např. zde: http://vtm.e15.cz/clanek/afera-radium-girls. K tomuto tématu byl natočen i film.

Je vidět, že jsme se poučili a dnes radioaktivitu využíváme zejména k výrobě čisté energie a lékařským účelům a toto využití pečlivě kontrolujeme. To vše samozřejmě díky fyzice ;)

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

11

Autor

Jaroslav Koreš

První
1 .. 6 7 8 9 10 11 12 13
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