Τετάρτη, 16 Δεκεμβρίου 2009

Ο χαρταετός του Φραγκλίνου

Τα ανεπαίσθητα ρευστά
Στο πέρασμα από το 17ο αιώνα στον 18ο εκτελούνταν έρευνες γύρω από τον ηλεκτρισμό και τα διάφορα φαινόμενα που τον περιέβαλαν την εποχή εκείνη. Παράλληλα με τις έρευνες για τον ηλεκτρισμό εξελίσσονταν τα πειράματα για τη θερμότητα. Η θεωρία που επικρατούσε τότε ήταν ότι υπήρχαν δύο ανεπαίσθητα ρευστά, ο ηλεκτρισμός και η θερμότητα. Ο όρος «ανεπαίσθητο» ή «αβαρές» αναφερόταν σε φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας που δεν είχε ύλη. Κοινό χαρακτηριστικό των δύο αυτών «ρευστών» ήταν ότι μεταφέρονταν μέσα από ορισμένες κατηγορίες σωμάτων, όπως αποδείκνυαν τα πειράματα που προαναφέραμε για τον ηλεκτρισμό. Αυτή η ιδέα έχει παραμείνει μέχρι σήμερα στην ορολογία, αφού αναφερόμαστε σε ροή θερμότητας ή ηλεκτρισμού. Προσπάθειες να μεταφερθεί η ιδέα των ανεπαίσθητων ρευστών στο φως, την καύση, το μαγνητισμό, τη βαρύτητα κτλ. δεν απέδωσε, γιατί δεν ήταν δυνατόν να εξηγηθούν διάφορα φαινόμενα.
Η θεωρία του ενός ρευστού
Ο Νεύτων είχε την ελπίδα να αναγάγει την εξήγηση όλων αυτών των φαινομένων σε μηχανιστικές δράσεις μεταξύ των ατόμων της ύλης, όπως είχε εξηγηθεί η κίνηση των πλανητών κτλ. Εδώ ως άτομο νοείται το ελάχιστο αδιαίρετο τμήμα της ύλης, περίπου όπως το είχε περιγράψει ο Δημόκριτος, χωρίς κάποιες ιδιαίτερες γνώσεις για τις ιδιότητές του. Ενώ όμως η βαρυτική έλξη δεν ήταν δυνατόν να μετρηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα, επειδή είναι πολύ ασθενής, η ηλεκτρική έλξη μπορούσε να μετρηθεί, να μεταφερθεί, να απομονωθεί μέσα σε μεταλλικά σώματα, να γίνει ορατή ως σπινθήρας, να ανάψει εύφλεκτα υγρά, να ερεθίσει το δέρμα ανθρώπων και ζώων κ.ά. Έτσι, η ελπίδα αυτή του Νεύτωνα δεν ευοδώθηκε.
Με την πάροδο του χρόνου οι πειραματιστές του ηλεκτρισμού βρήκαν θέση στα Πανεπιστήμια της εποχής. Συνηθέστερα πειράματα ήταν αυτά με το «ηλεκτρισμένο παιδί» του Γκραίυ, το απότομο τράβηγμα μεταξωτού γαντιού από το χέρι σε σκοτάδι, το οποίο συνοδευόταν από τσιριχτό ήχο και λάμψη, η μαζική ηλέκτριση ομάδας ανθρώπων που πιάνονταν από τα χέρια και αποδείκνυαν ότι ο ηλεκτρισμός «μεταφέρεται», ο χαρταετός του Φραγκλίνου κ.ά. Αρχικά έπρεπε οι πειραματιστές να κατασκευάσουν ή να αγοράσουν με δικά τους χρήματα τις συσκευές επιδείξεως, αργότερα άρχισαν τα Πανεπιστήμια να εξαγοράζουν αυτές τις συσκευές για να χρησιμοποιηθούν από το διάδοχο του αποχωρούντα πειραματιστή. [1]
Benjamin Franklin
Ο Benjamin Franklin (Φραγκλίνος, 1706-1790) γεννήθηκε στη Βοστώνη και ήταν το 15ο από τα δεκαεπτά παιδιά της οικογένειάς του. 'Αρχισε να εργάζεται ως τυπογράφος, στη συνέχεια άνοιξε ο ίδιος ένα τυπογραφείο και τέλος έγινε από το 1729 εκδότης εφημερίδας, η οποία είχε σημαντική επιρροή στην εξέλιξη του αμερικάνικου τύπου. Ο Φραγκλίνος, σε όλα αυτοδίδακτος, έβαλε τις βάσεις για τις αμερικάνικες ταχυδρομικές υπηρεσίες, ίδρυσε μία ασφαλιστική εταιρία για προστασία από πυρκαγιά και δημιούργησε μια βιβλιοθήκη.[2]
Προσπάθησε να διατυπώσει μια εναλλακτική άποψη που στηριζόταν στις ιδέες του Νεύτωνα: Μία μοναδική ηλεκτρική ατμόσφαιρα προκαλούσε έλξη ή άπωση με μηχανική πίεση, κάτι σαν βαρυτικός αιθέρας. Το 1743 παρακολούθησε ο Φραγκλίνος το πείραμα του Γκραίυ με το ηλεκτρισμένο αγόρι που κρεμόταν από μεταξωτά σκοινιά και αργότερα διηγήθηκε ότι του δημιουργήθηκε η εντύπωση πως «ένα είδος φωτιάς διαχεόταν σε ολόκληρο το χώρο».
Περί το 1745 δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Gentleman’s Magazine εντυπωσιακές περιγραφές ηλεκτρικών πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στη Γερμανία. Ίσως από αυτές τις περιγραφές εντυπωσιασμένος, ασχολήθηκε ο Φραγκλίνος προσεκτικότερα με ηλεκτρικά πειράματα και το 1747 ανακοίνωσε την ιδιότητα αιχμηρών αγωγών να «σύρουν προς τα έξω και να αφαιρούν το ηλεκτρικό πυρ». Επρόκειτο προφανώς για ακίδες σε ηλεκτροστατικό πεδίο, γύρω από τις οποίες, όπως γνωρίζουμε σήμερα, το πεδίο είναι ιδιαίτερα ισχυρό κι έτσι προκαλείται σπινθήρας, εφόσον έχουν γειωθεί. Από την εικόνα του σπινθήρα σε σκοτεινό δωμάτιο συμπέρανε ο Φραγκλίνος ότι αντίστοιχα πρέπει να συμβαίνει και με τον κεραυνό. Το 1749 άρχισε πειράματα με αστραπές και το 1752 πραγματοποίησε το θρυλικό πείραμά του με το χαρταετό. Ο αετός αυτός είχε στο πλαίσιό του στερεωμένο ένα σύρμα που συνδεόταν μέσω βρεγμένου σπάγγου με ένα κλειδί, το οποίο κρατούσε ο Φραγκλίνος με μια μεταξωτή κορδέλα. [1]
Ο χαρταετός του Φραγκλίνου
Έχετε καταλάβει όλες τις λεπτομέρειες και ειδικότερα γιατί δεν σκοτώθηκε ο Φραγκλίνος; Νά, λοιπόν, πώς περιέγραψε ο ίδιος σε ένα γράμμα του το πείραμα: «Στην άκρη του κάθετου ξύλου (του αετού) πρέπει να στηριχτεί ένα μεταλλικό έλασμα πολύ μυτερό, που να ξεπερνά το ξύλο κατά ένα πόδι. Στην άκρη του σπάγκου, κοντά στο χέρι, πρέπει να δεθεί μια μεταξωτή κορδέλα. Στο σημείο του κόμπου που συνδέει τον σπάγκο με την κορδέλα, πρέπει να τοποθετήσουμε ένα κλειδί. "Πετάμε" τον αετό, όταν βλέπουμε να έρχονται τα σύννεφα της καταιγίδας. Ο άνθρωπος που κρατάει τον σπάγκο πρέπει να βρίσκεται κάτω από το περβάζι μιας πόρτας ή ενός παραθύρου, ή να καλύπτεται με οποιονδήποτε τρόπο ώστε να μείνει στεγνή η μεταξωτή κορδέλα. Πρέπει, επίσης, να προσέξει να μην ακουμπήσει την πόρτα ή το παράθυρο. Μόλις φτάσει πάνω από τον χαρταετό το πρώτο σύννεφο, το μυτερό έλασμα τραβάει την ηλεκτρική φωτιά απ' αυτό, και έτσι ηλεκτρίζεται η όλη διάταξη• οι ελεύθερες ίνες του σπάγκου τεντώνονται προς όλες τις κατευθύνσεις, και έλκονται αν πλησιάσουμε το δάκτυλο μας. Όταν η βροχή διαβρέξει τον χαρταετό και τον σπάγκο, έτσι που να μπορεί να άγει ελεύθερα την ηλεκτρική φωτιά, θα διαπιστώσετε ότι αυτή ρέει ελεύθερα από το κλειδί προς το χέρι σας. Στο κλειδί φορτίζεται το "φιαλίδιο" [Είναι μια πρωτόγονη μορφή πυκνωτή], οπότε μπορούμε να πάρουμε ηλεκτρική φωτιά που θα κάψει τα πνεύματα ή θα μας επιτρέψει να κάνουμε οποιοδήποτε από τα πειράματα του ηλεκτρισμού —τα οποία εκτελούνται συνήθως με τη βοήθεια μιας σφαίρας ή ενός κυλίνδρου που τρίβουμε. Έτσι, λοιπόν, αποδεικνύεται η σύμφυση του ηλεκτρισμού και του κεραυνού.»
Γιατί προσάρμοζε ένα μυτερό έλασμα στην κορυφή του αετού; Γιατί υπήρχε η μεταξωτή κορδέλα ανάμεσα στο χέρι του και στο κλειδί; Γιατί είλκε ο σπάγκος το δάκτυλο του και γιατί τεντώνονταν οι ίνες του; Τι προκαλούσε τη φωτεινή εκπομπή όταν πλησίαζαν τα δάκτυλα του στο κλειδί; Γιατί δεν σκοτώθηκε ο Φραγκλίνος; Εάν χτυπούσε ο κεραυνός τον χαρταετό ή τον σπάγκο, θα επιζούσε;

Για να δούμε τις απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα.
Το αιχμηρό μεταλλικό έλασμα πρέπει να πρόσφερε ένα αρκετά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, ικανό να έλξει το ρεύμα και να επιτρέψει στον Φραγκλίνο να εκτελέσει το πείραμα. (Όσο πιο αιχμηρό είναι ένα αντικείμενο τόσο ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο το περιβάλλει.) Η μεταξωτή κορδέλα μόνωνε το έλασμα από τον υγρό αγώγιμο σπάγκο. Το κλειδί προσέφερε μερικές αιχμές για ορατές εκφορτίσεις του ρεύματος ηλεκτρονίων που κατέβαιναν από τον σπάγκο. Ο Φραγκλίνος εικονίζεται συνήθως να εκτελεί το πείραμα του κατά τη διάρκεια καταιγίδας, που συνοδεύεται από πολλούς κεραυνούς. Αλλά δεν ήταν τόσο ανόητος. Αν έπληττε ένας κεραυνός τον χαρταετό, θα έκαιγε και αυτόν και τον σπάγκο και, κατά πάσαν πιθανό¬τητα, και τον Φραγκλίνο, είτε υπήρχε το κομμάτι της μεταξωτής κορδέλας είτε όχι. Στην πραγματικότητα, ο Φραγκλίνος «πέταγε» τον χαρταετό του πριν φτάσει η καταιγίδα.[3]

Έτσι, με το εξαιρετικά επικίνδυνο αυτό πείραμα κατάφερε αυτός ο πολύ σημαντικός ερευνητής, επιχειρηματίας και πολιτικός να «αφαιρέσει το ηλεκτρικό πυρ» από τα σύννεφα διοχετεύοντάς το στο υγρό έδαφος και να θεμελιώσει την ιδέα για το αλεξικέραυνο. Με αυτό τον τρόπο εξηγήθηκε αναδρομικά και ο ρόλος των χάλκινων ράβδων με χρυσές αιχμές στην κορυφή, τις οποίες τοποθετούσαν οι αρχαίοι Αιγύπτιοι γύρω από τους ναούς για να εξευμενίσουν την «οργή των θεών» … Ανάλογα πειράματα με τον ηλεκτρισμό των νεφών είχαν γίνει γνωστά από Γάλλους και Γερμανούς ερευνητές που τα εκτελούσαν συνήθως με αμέλεια ή και άγνοια για τον τεράστιο κίνδυνο που περικλείουν τα πειράματα με ηλεκτρισμό. Το 1753 κεραυνοβολήθηκε και σκοτώθηκε ο Georg Richmann (Ρίχμαν, 1711-1753) σε μια επίδειξη στη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών, γιατί δεν φρόντισε να μονώσει σωστά το χέρι του από το αγώγιμο μέσο.
Μόλις επιβεβαιώθηκε η ικανότητα των αιχμηρών μέσων να «αφαιρούν το ηλεκτρικό πυρ» προέκυψε, άγνωστο πώς, μια συμπληρωματική θεωρία σύμφωνα με την οποία, κατ’ αναλογίαν τα αμβλέα σώματα απωθούσαν τον κεραυνό και γι’ αυτό έπρεπε να τοποθετηθούν κάτω από τη σκεπή. Τελικά τα πειράματα απέδειξαν ότι σημαντικότερος παράγοντας ήταν το ύψος, στο οποίο βρισκόταν το μεταλλικό σώμα που «αφαιρούσε το πυρ» παρά το σχήμα του.
Το αλεξικέραυνο ήταν η πρώτη σημαντική και άμεσα αξιοποιήσιμη εφεύρεση μετά το Μεσαίωνα και με αυτήν επιβεβαιωνόταν η πρόβλεψη του Βάκωνα (Francis Bacon) ότι η επιστήμη θα οδηγούσε, σε αντίθεση με το παρελθόν, σε νέα και χρήσιμη τεχνολογία.


Πηγές – Βιβλιογραφία:
[1] http://sfrang.com/historia/selida418.htm
[2] http://sfrang.com/historia/important/html/Franklin.htm
[3] Walker,J (2001),Το πανηγύρι της Φυσικής, Εκδ. Κάτοπτρο, Αθήνα.

Και αφού μιλάμε για κεραυνούς και αστραπές... δείτε το παρακάτω video που είναι εγγραφή με κάμερα slow motion. Εκπληκτικό!


Δεν υπάρχουν σχόλια: