Η Στροφορμή και η διατήρησή της

Στροφορμή υλικού σημέίου:

Ορίζουμε ως στροφορμή υλικού σημείου ως προς καθορισμένο σημείο Ο, το διανυσματικό μέγεθος L, που το μέτρο του είναι ίσο με το γινόμενο του μέτρου της ορμής p, επί το μοχλοβραχίονα της d (κάθετη απόσταση ανάμεσα στο Ο και στην κατεύθυνση της ορμής). Η -αναφερόμενη σε μία χρονική στιγμή- στροφορμή υλικού σημείου είναι ένα διανυσματικό μέγεθος που ορίζεται ως το εξωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων, της ορμής του υλικού σημείου κατά τη στιγμή εκείνη και της θέσης του υλικού σημείου την ίδια εκείνη στιγμή.

Παρατηρήσεις:

1) Στροφορμή έχει ακόμη και ένα υλικό σημείο το οποίο κινείται ευθύγραμμα. Η στροφορμή ενός τέτοιου σημείου έχει μέτρο , όπου r η απόσταση του φορέα της ταχύτητας από τον άξονα περιστροφής. Η στροφορμή ενός υλικού σημείου που κινείται ευθύγραμμα ισούται με μηδέν στην περίπτωση όπου η διεύθυνση της ταχύτητάς του είναι ίδια με αυτή του άξονα υπολογισμού.

2) Αν μια σημειακή μάζα κινείται προς (ή από ) ένα σημείο, τότε το σωματίδιο δεν έχει στροφορμή ως προς αυτό το σημείο.

Στροφορμή συστήματος σωμάτων:

Ορίζεται ως το διανυσματικό άθροισμα των στροφορμών των υλικών σημείων και των σωμάτων.

Η στροφορμή ενός στρεφομένου στερεού (rigid body) ορίζεται από το διανυσματικό άθροισμα των στροφορμών των υλικών σημείων του. Εάν προσθέσουμε διανυσματικά τις στροφορμές των υλικών σημείων του κατά τη διεύθυνση του άξονα περιστροφής προκύπτει L=Iω.

Διατήρηση της Στροφορμής:

Αν το αλγεβρικό άθροισμα των ροπών των δυνάμεων που δρουν σε ένα στερεό, ως προς κάποιον άξονα, είναι μηδέν, τότε και η στροφορμή του στερεού, ως προς τον ίδιο άξονα, παραμένει σταθερή.

Ποια είναι τα φαινόμενα τα οποία μπορούμε να προβλέψουμε και να ερμηνεύσουμε βασιζόμενοι στην Αρχή της διατήρησης της στροφορμής (Πότε δηλαδή θα τη χρησιμοποιούμε);

►Όταν έχουμε ένα σύστημα σωμάτων να περιστρέφεται και αλλάζει η μάζα ενός σώματος. (Μάζα αφαιρείται ή μάζα προστίθεται)

►Όταν έχουμε ανακατανομή της μάζας του σώματος (αλλάζει η θέση ενός σώματος, συστολή ή διαστολή ενός αστέρα κλπ) δηλαδή αλλάζει η ροπή αδράνειας.

►Όταν έχουμε κρούση σημειακού αντικειμένου με στερεό (βλήμα με ράβδο, βλήμα με σφαίρα κλπ).

Ας δούμε και κάποια video που αναφέρονται στη Διατήρηση της Στροφορμής.

Άνθρωπος και τροχός:


Εξήγηση: Επειδή αρχικά η στροφορμή κατακόρυφα ήταν μηδέν(0), όταν στρέφει ο άνθρωπος τον τροχό τότε έχουμε κατακόρυφη συνιστώσα και για να διατηρηθεί μηδέν στρέφεται ο άνθρωπος με τη βάση με αντίθετη φορά.

Άνθρωπος και βαράκια:

Εξήγηση:
Όταν το παιδί έχει τεντωμένα τα χέρια με τα βαράκια έχει μια ροπή αδράνειας Ι και όταν κλείνει τα χέρια του τότε επειδή η ροπή αδράνειας μικραίνει αυξάνεται η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής ώστε να διατηρηθεί το γινόμενο σταθερό.

Διάθλαση και αρχή ελαχίστου χρόνου

Με αφορμή μια ερώτηση στην τάξη γράφω δυο λόγια για τη διάθλαση, την αρχή του ελαχίστου χρόνου και τον νόμο του Snell.

Όταν το φως διασχίζει την επιφάνεια που χωρίζει δυο μέσα (διαχωριστική επιφάνεια) και περνά από το ένα μέσο στο άλλο, λέμε ότι διαθλάται γιατί αλλάζει η διεύθυνση διάδοσης του (εκτός αν πέφτει κάθετα) και το φαινόμενο το ονομάζουμε διάθλαση. Συνήθως όταν το φως αλληλεπιδρά με την ύλη εν μέρει απορροφάται , εν μέρει ανακλάται και διαθλάται.

Είναι κοινή παρατήρηση και φαίνεται και στην εικόνα ότι η διαδρομή επιμηκύνεται. Ωστόσο η μακρύτερη αυτή διαδρομή είναι αυτή που απαιτεί τον ελάχιστο χρόνο.

Σύμφωνα με την αρχή του ελαχίστου χρόνου, που είναι γνωστή και σαν αρχή του Φερμά (Fermat principle), το φως κατά τη διαδρομή του μέσα σε ένα μέσο από ένα σημείο Α σε ένα σημείο Β, ακολουθεί τον οπτικό δρόμο που θα του επιτρέψει να μεταβεί από το Α στο Β στο μικρότερο δυνατό χρόνο. Η αρχή αυτή διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον μαθηματικό (Pierre de Fermat) την Πρωτοχρονιά του1662.
Σε ένα ισότροπο μέσο (n=Σταθερό) ο οπτικός αυτός δρόμος είναι η ευθεία που ενώνει τα σημεία Α και Β. Όταν όμως το κύμα περάσει από ένα μέσο σε άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, ο χρονικά συντομότερος δρόμος δεν είναι ευθεία, επειδή η ταχύτητα του κύματος είναι διαφορετική στα δυο μέσα. Ο χρονικά συντομότερος δρόμος τότε είναι μια τεθλασμένη γραμμή, με αποτέλεσμα να παρουσιάζεται το φαινόμενο της διάθλασης.

Ας το κάνουμε λίγο πιο απλό. Έστω ότι είστε ναυαγοσώστης σε μια παραλία και αντιλαμβάνεστε ότι κάποιος κινδυνεύει.Οι ενέργειες σας για τη διά­σωση του κολυμβητή πρέπει να είναι άμεσες. Ποια διαδρομή από το Π στο Θ πρέπει να α­κολουθήσετε για να φτάσετε στον κολυμβητή το συντομότερο δυνατόν; (Υπόδειξη: Θεωρήστε ότι μπορείτε να αναπτύξετε τα­χύτητα στην παραλία μεγαλύτερη απ' ό,τι στη θάλασσα.)

Αν η κίνηση σας ήταν ευθύγραμμη δεν θα ήταν αυτή που θα διαρκούσε το λιγότερο χρόνο διότι θα διανύατε μεγαλύτερη απόσταση στη θάλασσα που κινείστε με μικρότερη ταχύτητα. Αν ξοδεύατε λίγο περισσότερο χρόνο τρέχοντας μεγαλύτερη απόσταση στη στεριά θα κερδίζατε πολύ περισσότερο χρόνο για τη μικρότερη διαδρομή στη θάλασσα. Άρα η σωστή διαδρομή θα ήταν η ΠγΘ.

Για να βρούμε την πορεία του φωτός από το ένα μέσο στο άλλο χρησιμοποιούμε το νόμο του Snell. Βέβαια το νόμο στην ουσία τον είχε ανακαλύψει ένας Άραβας - Ali ibn Sahl Rabban al-Tabari- (μαθηματικός, φυσικός και μηχανικός φακών ) που το 984 περίπου έγραψε το On Burning Mirrors and Lenses που εξηγούσε πως οι κυρτοί και κοίλοι καθρέπτες και φακοί εστίαζουν και κυρτώνουν την πορεία του φωτός.
Μελετά με λεπτομέρειες την ανάκλαση και τη διάθλαση και διατυπώνει την υπόθεση, ότι το φως διαδίδεται πιο δύσκολα στα οπτικά πυκνότερα υλικά, και στο γεγονός αυτό οφείλεται η διάθλασή του.
Διατυπώνει την άποψη ότι οι φωτεινές ακτίνες κινούνται σε ευθεία γραμμή.
«Δεν υπάρχει όραση», γράφει στην οπτική του, «εκτός και αν κάτι εκκινεί από το ορατό αντικείμενο και φτάνει στο μάτι, ανεξάρτητα από το αν κάτι εξέρχεται από αυτό.

Το 1621 ο Δανός Φυσικός -Μαθηματικός Willebrord Snellius ή αλλιώς Willebrord Snellius διατύπωσε το νόμο της διάθλασης.

Ένα ωραίο site με φωτογραφίες και πειράματα είναι το παρακάτω:

http://www.clab.edc.uoc.gr/seminar/heraklio/optic/index.htm

Και επειδή μας έγινε συνήθεια, ας δούμε και μερικά video με οπτικά φαινόμενα.

1.

2. Δείτε το παρακάτω video στο youtube. Περιγράφει την ανάκλαση και τη διάθλαση με πειράματα. Πραγματικά αξίζει! http://www.youtube.com/watch?v=2P3nKJHO2j0
Πηγές:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
2. Hewitt,P (2005) Οι έννοιες της Φυσικής, ΠΕΚ, Ηράκλειο
3. Epstein,L (2002)Στις γειτονιές της Φυσικής, Κάτοπτρο,Αθήνα.
4. http://gkatsikogiorgos.blogspot.com/2008/08/blog-post.html

Μια γνωστή ιστορία Φυσικής

Τη συγκεκριμένη ιστοριούλα την είχα διαβάσει κάπου, μου την είχαν στείλει με e-mail, αλλά παρόλα αυτά για καιρό δε μπορούσα να τη βρω πουθενά. Ρωτώντας πας στην πολή λένε. Ε, λοιπόν και εγώ ρώτησα. Και όχι οποιονδήποτε. .........Ρώτησα το......... google.

Και το βρήκα. Αξίζει να το μοιραστώ με όλους.

Το παρακάτω κείμενο αφορά μια ερώτηση που τέθηκε σε μια εξέταση Φυσικής στο πανεπιστήμιο της Κοπενχάγης.
“Περιγράψτε πως μπορούμε να μετρήσουμε το ύψος ενός ουρανοξύστη χρησιμοποιώντας ένα βαρόμετρο”
Ενας φοιτητής απάντησε :“Δένετε ένα μακρύ σπάγκο στο λαιμό του βαρόμετρου, τότε κατεβάζετε το βαρόμετρο από την ταράτσα στο έδαφος. Το μήκος του νήματος συν το μήκος του βαρομέτρου θα είναι ίσο με το ύψος του κτιρίου”.Αυτή η πρωτότυπη απάντηση, έκανε έξω φρενών τον εξεταστή έτσι ώστε ο φοιτητής κόπηκε αμέσως. Ο φοιτητής προσέφυγε στις αρχές του πανεπιστημίου διαμαρτυρόμενος ότι η απάντησή του ήταν αναμφίβολα σωστή, και το πανεπιστήμιο όρισε έναν ανεξάρτητο εξεταστή να διερευνήσει την υπόθεση.Ο διαιτητής αυτός έκρινε ότι η απάντηση ήταν πράγματι σωστή, αλλά δεν έδειχνε καμιά αξιοσημείωτη γνώση της φυσικής.Για να διαλευκανθεί τελείως το θέμα αποφασίστηκε να καλέσουν το σπουδαστή και να του αφήσουν έξι λεπτά μέσα στα οποία αυτός έπρεπε να δώσει μια προφορική απάντηση που να δείχνει μια εξοικείωση με τη φυσική σκέψη.

Για πέντε λεπτά αυτός παρέμεινε σιωπηλός, βυθισμένος σε σκέψεις. Ο εξεταστής του θύμισε ότι ο χρόνος τελείωνε, και ο σπουδαστής απάντησε ότι ήδη είχε στο μυαλό του αρκετές συναφείς απαντήσεις αλλά δεν μπορούσε να αποφασίσει ποια να χρησιμοποιήσει. Στην προτροπή να βιαστεί, ο σπουδαστής απάντησε ως εξής:” Κατ’ αρχήν μπορείς να ανεβάσεις το βαρόμετρο στην κορυφή του ουρανοξύστη, να το αφήσεις να πέσει στο δρόμο και να μετρήσεις το χρόνο που κάνει να φτάσει στο έδαφος. Το ύψος του κτιρίου μπορεί τότε να βρεθεί από τον τύπο H=gt2/2. Αλλά αλίμονο στο βαρόμετρο.”

“Ή αν υπάρχει ηλιοφάνεια μπορείς να μετρήσεις το ύψος του βαρόμετρου, να το στήσεις όρθιο στο έδαφος και να μετρήσεις το μήκος της σκιάς του. Να μετρήσεις ύστερα το μήκος της σκιάς του ουρανοξύστη, και τέλος με απλή αριθμητική αναλογία να βρεις το πραγματικό ύψος του ουρανοξύστη.”

“Αλλά αν θέλεις να κάνεις μια πραγματικά επιστημονική δουλειά, θα μπορούσες να δέσεις ένα μικρού μήκους νήμα στο βαρόμετρο και να το βάλεις σε ταλάντωση σαν εκκρεμές, πρώτα στο έδαφος και μετά στην ταράτσα του ουρανοξύστη. Το ύψος θα μπορούσε στη συνέχεια να βρεθεί μετρώντας και συγκρίνοντας τις δυο περιόδους οι οποίες είναι αντιστρόφως ανάλογες των τετραγωνικών ριζών των επιταχύνσεων της βαρύτητας, στο έδαφος και στο ύψος του ουρανοξύστη. Η επιτάχυνση της βαρύτητας εξαρτάται με τη σειρά της από το ύψος από την επιφάνεια της γης και συνεπώς γνωρίζοντας την επιτάχυνση της βαρύτητας στην ταράτσα βρίσκουμε το ύψος.”

“Ή αν ο ουρανοξύστης διαθέτει μια εξωτερική σκάλα κινδύνου θα ήταν ευκολότερο να ανεβείς τη σκάλα και να βάλεις διαδοχικά σημάδια επαναλαμβάνοντας το μήκος του βαρόμετρου. Μετά να προσθέσεις όλα αυτά τα μήκη.”

“Αν απλώς βαριόσουν, και ήθελες να χρησιμοποιήσεις το βαρόμετρο με ορθόδοξο τρόπο, μπορούσες να μετρήσεις την ατμοσφαιρική πίεση στην ταράτσα και στο έδαφος και να μετατρέψεις την διαφορά των milibars σε αντίστοιχη διαφορά σε μέτρα”.

“Αλλά επειδή ως φοιτητές συνεχώς παροτρυνόμαστε να ασκούμε την ανεξαρτησία του μυαλού και να εφαρμόζουμε επιστημονικές μεθόδους, αναμφίβολα ο καλύτερος τρόπος θα ήταν, να χτυπήσουμε την πόρτα του θυρωρού και να του πούμε: ‘ Αν θα σου άρεσε να έχεις ένα ωραίο καινούριο βαρόμετρο, θα σου χαρίσω αυτό αν μου πεις το ύψος του ουρανοξύστη’.
Ο σπουδαστής αυτός ήταν ο NIELS BOHR ο μόνος Δανός που κέρδισε το βραβείο Nobel της Φυσικής.

Ψάχνοντας στο δίκτυο κανείς βρίσκει ότι η ιστορία βρίσκεται στα ορια του αστικού μύθου σε σχέση με το αν αυτό το είπε όντως ο Niels Bohr ή απλά χρεώθηκε σε αυτόν για να εξαπλωθεί η φήμη του.

Πηγή:

http://www.akouseto.gr/%CE%B1%CF%80%CE%BB%CE%AE-%CF%86%CF%85%CF%83%CE%B9%CE%BA%CE%AE/

Αντικατοπτρισμός (Fata Morgana)

Κατώτερος Αντικατοπτρισμός

Όλοι έχουμε δει τον αντικατοπτρισμό που δημιουργείται όταν οδηγούμε σε θερμό οδόστρωμα. Ο ουρανός φαίνεται να ανακλάται σε νερό που βρίσκεται πάνω στον δρόμο σε κάποια απόσταση μπροστά μας, όταν όμως πλησιάσουμε το σημείο τότε διαπιστώνουμε ότι το οδόστρωμα είναι στεγνό και "τα νερά" εμφανίζονται όλο και μακρύτερα.

Οι βρεγμένοι δρόμοι είναι το είδωλο του χρώματος του ουρανού που καθρεπτίζεται στην άσφαλτο και είναι ορατό από τη θέση του οδηγού η των επιβατών και από άτομα που βρίσκονται στο οδόστρωμα. To φαινόμενο αυτό λέγεται αντικατοπτρισμός και σημαίνει την εμφάνιση ενός αντικειμένου σε διαφορετική θέση στην ατμόσφαιρα από εκείνη που πράγματι είναι. Ο αέρας πάνω από την επιφάνεια του οδοστρώματος είναι πολύ ζεστός, ενώ ψηλότερα είναι θερμότερος. Το φως κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα στον αραιότερο θερμό αέρα απ' ότι στον υπερκείμενο πυκνότερο ψυχρό αέρα. Έτσι, το φως από τον ουρανό δε φτάνει σε μας σε ευθεία γραμμή, αλλά ακολουθώντας την διαδρομή του ελαχίστου χρόνου, κάμπτεται για λίγο προς τη χαμηλότερη και θερμότερη περιοχή κοντά στην επιφάνεια του εδάφους πριν φτάσει στα μάτια μας.

Επίσης, πάνω στην άσφαλτο, ιδιαίτερα αφότου έχουν μεσολαβήσει αρκετές μέρες χωρίς βροχή, συσσωρεύονται σωματίδια σκόνης, που με το ρεύμα αέρα από την κίνηση των οχημάτων αναδεύονται και αιωρούνται κοντά στην επιφάνειά της. Αυτά τα σωματίδια έχουν κρυσταλλική υφή, ως επί το πλείστον, και δημιουργούν πρόσθετες ανακλάσεις, επιτείνοντας την αίσθηση του «αντικατοπτρισμού». Παρόμοιο φαινόμενο δημιουργείται και στην έρημο, αλλά σε μεγαλύτερες αποστάσεις, ενώ εκεί ο αντικατοπτρισμός εκτείνεται σε μεγαλύτερη έκταση. Για την εμφάνιση του φαινομένου έχει σημασία και η ώρα, η κλίση των ακτίνων του ήλιου και το ποσοστό υγρασίας του αέρα.

Το είδος αυτό του αντικατοπτρισμού όπου το αντικείμενο φαίνεται σε χαμηλότερη θέση από την πραγματική καλείται κατώτερος και οφείλεται στο γεγονός ότι οι ακτίνες του ηλίου φθάνουν στο μάτι του παρατηρητή «από κάτω» εξαιτίας της καμπύλωσης τους στο διαχωριστικό στρώμα του θερμού και κρύου σχετικά αέρα.

Ο αντικατοπτρισμός δεν είναι κάποια "νοητική ψευδαίσθηση", όπως λανθασμένα πιστεύουν πολλοί. Δημιουργείται από πραγματικό φως και μπορεί να φωτογραφηθεί, όπως φαίνεται στις εικόνες του κειμένου.

Ανώτερος αντικατοπτρισμός: η Φάτα Μοργκάνα*

Ο ανώτερος αντικατοπτρισμός δημιουργείται με τις ίδιες διαδικασίες όπως ο κατώτερος, αλλά όταν ο αέρας είναι ψυχρότερος στο έδαφος από το ανώτερο στρώμα του. Στην περίπτωση αυτή τα αντικείμενα εμφανίζονται ανυψωμένα και μεγεθυσμένα.Χαρακτηριστικό παράδειγμα ανώτερου αντικατοπτρίσου είναι η γνωστή «Φάτα Μοργκάνα». Παρατηρείται σε ορισμένες ακτές θαλασσών και συνιστάται στην ανύψωση των ακτών υπό μορφή τείχους μεγαλοπρεπών μεγάρων, παράξενων τοπίων κλπ. Όταν αυτές παρατηρούνται από μεγάλη απόσταση Αυτό συμβαίνει γιατί ο αέρας κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας είναι πιο κρύος από τα ανώτερα στρώματα. Η Φάτα Μοργκάνα παρατηρείται κυρίως από τις ακτές του Ρήγιου της Καλαβρίας της νότιας Ιταλίας απέναντι στις ακτές της Μεσσήνης, στη Σικελία, από όπου είναι και η ονομασία της.

Φαινόμενα «Φάτα Μοργκάνα» στην Ελλάδα αναφέρεται ότι εμφανίζονται στο Βόρειο Ευβοϊκό κόλπο κοντά στη Λάρυμνα".

Εκτός από τη Φάτα Μοργκάνα, στην ίδια κατηγορία του αντικατοπτρισμού, πρέπει να υπάγονται και τα “ψηλά βουνά” που είχαν δει οι πρώτοι εξερευνητές στις παγωμένες εκτάσεις του βόρειου πόλου και τα οποία βέβαια ποτέ δε βρέθηκαν από τους μετέπειτα επισκέπτες του.

*Φάτα Μοργκάνα

Η «Φάτα Μοργκάνα» * σύμφωνα με τη μυθολογία ήταν ετεροθαλής αδελφή του βασιλιά Αρθούρου , ζούσε σε κρυστάλλινο παλάτι μέσα στη θάλασσα και είχε μαγικές δυνάμεις να κτίζει κάστρα στον αέρα πάνω από τις ακτές. Ήταν ακόμη πολύ όμορφή και επομένως περιζήτητη όπως μας υπενθυμίζει ο Νίκος Καββαδίας στο ποίημα :

Φάτα Μοργκάνα

Θα μεταλάβω με νερό θαλασσινό

στάλα τη στάλα συναγμένο απ' το κορμί σου

σε τάσι αρχαίο, μπακιρένιο αλγερινό,

που κοινωνούσαν πειρατές πριν πολεμήσουν.

Πανί δερμάτινο, αλειμμένο με κερί,

οσμή από κέδρο, από λιβάνι, από βερνίκι,

όπως μυρίζει αμπάρι σε παλιό σκαρί

χτισμένο τότε στον Ευφράτη στη Φοινίκη.

Σκουριά πυρόχρωμη στις μίνες του Σινά.

Οι κάβες της Γερακινής και το Στρατόνι.

Το επίχρισμα. Η άγια σκουριά που μας γεννά,

Μας τρέφει, τρέφεται από μας, και μας σκοτώνει.

Πούθ' έρχεσαι; Απ' τη Βαβυλώνα.

Πού πας; Στο μάτι του κυκλώνα.

Ποιαν αγαπάς; Κάποια τσιγγάνα.

Πώς τη λένε; Φάτα Μοργκάνα.

Στίχοι: Νίκος Καββαδίας, Μουσική: Μαρίζα Κωχ , Πρώτη εκτέλεση: Μαρίζα Κωχ .

Πηγές:

1.http://www.nagref.gr/journals/ethg/images/28/ethg28p21-23.pdf (ΕΘΙΑΓΕ, τεύχος 28, σελ 21)

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Fata_Morgana

Πως δημιουργείται ο κεραυνός ;

Ανέκαθεν ο κεραυνός ήταν σύμβολο μιας πανίσχυρης δύναμης. Όλοι οι αρχαίοι λαοί τον είχαν θεοποιήσει. Σύμφωνα με την ελληνική μυθολογία, ήταν το κυρίαρχο όπλο του Δία και χάρη σ' αυτό έγινε ο αδιαμφισβήτητος αρχηγός των υπόλοιπων θεών του Ολύμπου. Για τους Βίκινγκ του παγωμένου Βορρά ο κεραυνός ήταν δημιούργημα του θεού Θωρ, ο οποίος χτυπούσε το σφυρί του πάνω σε σιδερένιο αμόνι. Οι ινδικές φυλές στη Βόρεια Αμερική θεωρούσαν ότι η αστραπή οφειλόταν στα φτερά ενός μυστικού πουλιού που αναβόσβηναν και όταν πέταγε χτυπούσαν τα φτερά κάνοντας τον ήχο της βροντής. Μόλις το 1752 ο κεραυνός αποκαθηλώθηκε από το θεϊκό του βάθρο και πήρε τη θέση του ανάμεσα στα άλλα φυσικά φαινόμενα. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας στην Πενσιλβάνια των ΗΠΑ, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος πέταξε έναν αετό από μεταξωτό ύφασμα. Στο σπάγκο είχε δέσει ένα μεταλλικό κλειδί, το οποίο προσέλκυσε το αντίθετο προς το δικό του φορτίο των νεφών. Έτσι δημιουργήθηκε ο πρώτος τεχνητός κεραυνός στην ιστορία. Με το πείραμα αυτό ο Φραγκλίνος απέδειξε ότι πίσω από τα καταιγιδοφόρα νέφη δεν κρύβεται η μήνις των θεών αλλά κάτι πολύ πιο απλό: ένα ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο από εκείνο της Γης!

Βέβαια ο Φραγκλίνος φρόντισε να απομονώσει τον εαυτό του από την όλη διάταξη, και να μην εκτεθεί στη βροχή όταν εκτέλεσε το συγκεκριμένο πείραμα, και έτσι δεν έπαθε ηλεκτροπληξία, όπως συνέβει με άλλους που προσπάθησαν να το επαναλάβουν.

Η ανακάλυψη του Φραγκλίνου άνοιξε το δρόμο για τη μελέτη των κεραυνών και οδήγησε στην ολοκληρωμένη Θεωρία του Ατμοσφαιρικού Ηλεκτρισμού που διατύπωσε το 1920 ο Αμερικανός φυσικός Τσαρλς Ουίλσον. Σύμφωνα μ' αυτή, η Γη και η ηλεκτρόσφαιρα -το κάτω τμήμα της ιονόσφαιρας, σε ύψος 50-60 χιλιομέτρων- είναι οι δύο αντίθετοι πόλοι ενός σφαιρικού πυκνωτή τους οποίους χωρίζει η ατμόσφαιρα. Το σύστημα ισορροπεί καθώς η διηλεκτρική αντοχή του αέρα λειτουργεί ως μονωτής, μην επιτρέποντας την εκδήλωση κεραυνών με αίθριο καιρό. Aν δημιουργηθούν καταιγιδοφόρα νέφη σωρειτομελανίων (cumilonimbus) ή σπανιότερα μελανοστρωμάτων (nimbostratus), η κατάσταση φορτίζεται επικίνδυνα. Οι σωρειτομελανίες είναι κατ' ουσίαν τεράστιες μηχανές παραγωγής ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό των οποίων επικρατούν βίαια ρεύματα που μεταφέρουν φορτισμένες σταγόνες νερού και παγοκρυστάλλους. Μέσα σε ελάχιστο χρόνο η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης του νέφους και του εδάφους φτάνει σε εκατομμύρια βολτ και ξεπερνά τη διηλεκτρική αντοχή της ατμόσφαιρας. Ακριβώς εκείνη τη στιγμή ξεσπά ο κεραυνός, όπως συμβαίνει με όλες τις ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ αντίθετων ηλεκτρικών πεδίων.

Έτσι λοιπόν, όταν υπάρχουν οι συνθήκες που δημιουργούν καταιγίδα, όπως υγρασία στην ατμόσφαιρα πολλή θερμότητα κλπ ο αέρας που στροβιλίζεται παρασύρει ιόντα από τα σύννεφα και από την επιφάνεια της γης ή της θάλασσας και έτσι δημιουργείτε συσσώρευση ηλεκτρικών φορτίων στα σύννεφα και φυσικά διαφορά δυναμικού μεταξύ των σύννεφων (συνήθως αρνητικά φορτισμένων ) και της ξηράς ή της θάλασσας φορτισμένης θετικά.

Στην ουσία έχουμε φόρτιση με επαγωγή. Ο αέρας που υπάρχει μεταξύ του σύννεφου και της θάλασσας είναι όπως γνωρίζουμε κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και έτσι τα φορτία δεν μπορούν να κυκλοφορήσουν ώστε να εξουδετερωθούν, κατ αυτόν τον τρόπο η διαφορά δυναμικού συνεχώς αυξάνεται και παίρνει τιμές πάρα πολύ υψηλές, από 80 εκατομμύρια έως και 1 δισεκατομμύριο βολτ, για να πάρετε μια ιδέα αυτού του μεγέθους σκεφθείτε ότι η διαφορά δυναμικού στο μπουζί είναι περίπου 20 000 βολτ.Όταν λοιπόν η διαφορά δυναμικού λάβει τόσο υψηλές τιμές γίνεται διάτρηση του αέρα και δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας.

Η διάτρηση του αέρα δεν είναι στιγμιαία.

Από το σύννεφο ξεκινά μια αρχική εκτόνωση η οποία λέγεται “εκτόνωση οδηγός” αόρατη, και προχωρεί με βήματα και ταχύτητα 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο προς την Γη. Από την γη ξεκινά μια εκτόνωση με αντίθετη πολικότητα που ονομάζεται "εκτόνωσης ανάκλησης". Την στιγμή που συναντιόνται οι δυο εκτονώσεις έχουμε τον κεραυνό. Το φαινόμενο διαρκεί μερικές δεκάδες ή και εκατοντάδες του μικροδευτερολέπτου. Λόγω του σπινθήρα, ο αέρας θερμαίνεται, η θερμοκρασία σε κλάσματα του δευτερολέπτου ξεπερνά κατά πολλές φορές εκείνη της επιφάνειας του Ήλιου, συμπιέζεται και ισχυρές μάζες του μετατοπίζονται. Η ισχυρή βροντή του κεραυνού δημιουργείτε από την διάσπαση του αέρα λόγω υψηλής θερμοκρασίας. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να φθάσει τα 200.000 Αμπέρ αν και το 85% των κεραυνών έχουν εντάσεις μικρότερες των 60.000 Αμπέρ η διάρκεια της εκκένωσης είναι της τάξης των δεκάδων μsec, και το μήκος του τόξου πολλές φορές φθάνει και τα 10 km.

Η ισχύς λοιπόν ενός κεραυνού στην καλύτερη περίπτωση είναι (100 000 000 χ 60 000 = 6 000 000 000 K Watt ή 8.152.173.000 ίππους για όποιον καταλαβαίνει καλύτερα αυτή την μονάδα. Η ενέργεια αυτή είναι ίση με αυτή που χρειάζονται 600 εκατομμύρια νοικοκυριά. Δυστυχώς ακόμα δεν έχει βρεθεί τρόπος την ενέργεια αυτή να την αιχμαλωτίσουμε και να την αποθηκεύσουμε για τις ανάγκες μας. Οι κεραυνοί βρίσκουν τον δρόμο με την λιγότερη ηλεκτρική αντίσταση προς την γη ο οποίος δεν συμπίπτει τις περισσότερες φορές με τον συντομότερο γεωμετρικά δρόμο, στην πορεία τους τίποτα δεν μπορεί να τους αντισταθεί αντίθετα όσο περισσότερα εμπόδια συναντούν τόσο περισσότερο καταστρέφουν. Αυτό λοιπόν που πρέπει να κάνουμε εμείς είναι να τον διευκολύνουμε να περάσει προσφέροντας του τον ευκολότερο δρόμο και τον ρόλο αυτό αναλαμβάνουν τα αλεξικέραυνα.

Πορεία στα τυφλά

Ο κεραυνός στην τελική του φάση είναι τόσο λαμπερός, ώστε τον διακρίνουμε από πολλά χιλιόμετρα μακριά. Ωστόσο ξεκινά την πορεία του στα σκοτεινά. Στο αρχικό στάδιο σχηματίζεται μια δίοδος από ηλεκτρόνια και ιόντα, η οποία διαχέεται από τα σύννεφα προς το έδαφος. Το αόρατο για το ανθρώπινο μάτι μονοπάτι αποκαλείται Ηγέτης (Leader) και κινείται ψηλαφιστά, αναζητώντας τη διαδρομή με τη μικρότερη διηλεκτρική αντίσταση. Διακλαδώνεται συνεχώς, "χαράσσοντας" στην ατμόσφαιρα τη διαδρομή πάνω στην οποία θα κινηθεί μετά από χιλιοστά του δευτερολέπτου ο φωτεινός κεραυνός που όλοι γνωρίζουμε. Η ερευνητική ομάδα του Ντουάιερ ανακάλυψε ότι σ' αυτή την προπαρασκευαστική φάση ο κεραυνός δεν είναι απόλυτα σκοτεινός αλλά εκπέμπει μικρές λάμψεις ακτίνων Χ, η ενέργεια των οποίων προσεγγίζει το μισό εκείνης που χρησιμοποιείται στις ακτινοβολίες. Την ίδια στιγμή που ο Ηγέτης κατευθύνεται προς τα κάτω, ανυψώνεται λίγα μέτρα από το έδαφος μια ηλεκτρική ροή με αντίθετο φορτίο. Μια άλλη ερευνητική ομάδα του Διεθνούς Χριστιανικού Πανεπιστημίου του Τόκιο, με επικεφαλής το φυσικό Μαρκ Γκρίνφιλντ, παρατήρησε ότι κατά τη διάρκεια ορισμένων καταιγίδων αυξάνεται ομοίως και η ποσότητα των ακτίνων γάμμα στην ατμόσφαιρα. Αυτές οι ακτίνες είναι πολύ πιο διεισδυτικές από τις ακτίνες Χ και παράγονται μετά από πυρηνικές αντιδράσεις. Ούτως ή άλλως, είναι πάντα παρούσες σε μικρές ποσότητες στον αέρα λόγω της φυσικής ραδιενέργειας της Γης και της κοσμικής ακτινοβολίας.

Μεγαλειώδης δύναμη

Ποτέ οι κεραυνοί δε θα προκαλέσουν πυρηνική καταστροφή, παραμένουν όμως ένα από τα πιο βίαια και ισχυρά φυσικά φαινόμενα. Η ενέργεια μιας σφοδρής καταιγίδας ισοδυναμεί μ' εκείνη που απελευθερώνεται από την έκρηξη μερικών ατομικών βομβών. Έχει υπολογιστεί ότι καθημερινά εκδηλώνονται στη Γη περίπου 40.000 καταιγίδες οι οποίες προκαλούν περισσότερους από 7.000.000 κεραυνούς. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στο μονοπάτι του κεραυνού είναι της τάξης των 40.000 βαθμών Κελσίου, πέντε φορές μεγαλύτερη από εκείνη στην επιφάνεια του Ήλιου. Κάθε ηλεκτρική εκκένωση έχει ισχύ περίπου 30.000 Αμπέρ, αριθμός τεράστιος αν σκεφτούμε ότι οι περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές χρειάζονται λίγα μόνο Αμπέρ για να λειτουργήσουν. Οι παραπάνω αριθμοί αρκούν για να συλλάβουμε τη δύναμη του κεραυνού και να κατανοήσουμε γιατί οι αρχαίοι λαοί τον είχαν θεοποιήσει. Άλλο στοιχείο που προκαλεί δέος είναι πως χτυπά ακαριαία, απροσδόκητα και στα πιο απίθανα μέρη. Ο πιο απρόσμενος κεραυνός στη σύγχρονη ιστορία τράνταξε το θαλαμίσκο Απόλλων 12 στις 14 Νοεμβρίου του 1969, όταν διερχόταν μέσα από πυκνά σύννεφα κατά τη διάρκεια εκτόξευσής του από το Ακρωτήριο Κένεντι, στις ΗΠΑ. Ευτυχώς, δεν προκάλεσε ζημιές...

Η σημασία του αλεξικέραυνου

Ο σκοπός του αλεξικέραυνου είναι να παρέχει μια ελεγχόμενη δίοδο με όσο το δυνατόν μικρότερη αντίσταση ανάμεσα σε σύννεφο και γη ώστε να εξισορροπηθούν τα αντίθετα φορτία. Το αλεξικέραυνο λοιπόν στην απλή του μορφή δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένας αγωγός του ηλεκτρισμού (καλώδιο) με την μια άκρη όσο το δυνατόν ψηλότερα και την άλλη συνδεδεμένη στην γη ή την θάλασσα, προσφέρει δε προστασία σε μια κυκλική περιοχή με διάμετρο όσο το ύψος του.

Ο Φραγκλίνος ανακάλυψε ότι το φορτίο διαρρέει εύκολα από ή προς αιχμηρές μεταλλικές ακίδες, και κατασκεύασε το πρώτο αλεξικέραυνο. Αν το αλεξικέραυνο τοποθετηθεί σε κτίριο και τοποθετηθεί στο έδαφος, η ακίδα του συλλέγει ηλεκτρόνια από την ατμόσφαιρα αποτρέποντας έτσι τη μεγάλη συσσώρευση φορτίου που θα μπορούσε να προκαλέσει μια ξαφνική εκκένωση μεταξύ νέφους και κτιρίου. Το αλεξικέραυνο αποτελεί πρωτίστως προληπτικό μέσο. Αν όμως προκληθεί ηλεκτρική εκκένωση τότε αποτελεί τη δίοδο, ώστε αυτό να διοχετευθεί στη γη, αφήνοντας το κτίριο ανέπαφο.

Ας δούμε και κάποια video από κεραυνούς που πέφτουν .... αρκετά κοντά.
1.


2.

Πηγές:
1. http://www.focusmag.gr/articles/view-article.rx?oid=155910

2. http://www.ofse.gr/fulmini.htm

3. Hewitt,P, (2005), Οι έννοιες της Φυσικής, ΠΕΚ, Ηράκλειο.