Η φυσική των καθημερινών πραγμάτων. The Physics of Everyday Things

From the moment we wake up until we go to sleep at days end, we employ the most amazing science as we go about our everyday tasks, whether using a toaster to make breakfast, checking a smartphone for the day’s weather report or watching a flat-screen television. Yet most of us don’t understand the physics that makes our modern world so convenient. From high-speed elevators to the complex inner workings of ultrasound imaging, and TSA screening devices, the technology we routinely use can seem mystifying. How do touch-screens work, and how do our wrist fitness monitors keep track of our steps? How do we glide through tolls using an E-Z Pass, or find our way to new places using GPS in our hybrid cars?

Οι περισσότεροι δεν έχουμε ιδέα για τη φυσική που καθιστά τον σύγχρονο κόσμο μας τόσο βολικό και άνετο. Ποια είναι η απλή επιστήμη πίσω από τους αισθητήρες κίνησης, τις οθόνες αφής και τις φρυγανιέρες; Πώς βρίσκουμε τον δρόμο μας σε άγνωστα μέρη με ένα GPS; Πώς λειτουργούν τα έξυπνα τηλέφωνα, οι ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες, η ψηφιακή αποθήκευση δεδομένων, οι μαγνητικοί τομογράφοι; Πώς τα υβριδικά οχήματα, τα φωτοτυπικά μηχανήματα, οι δείκτες λέιζερ, τα δίκτυα wi-fi; Πώς κατορθώνουν να μένουν στον αέρα τα αεροπλάνα και τα τρένα υψηλής ταχύτητας; Πώς λειτουργούν τα ΑΤΜ, πώς κινούνται οι ανελκυστήρες υψηλής ταχύτητας, γιατί επιτρέπεται η ακτινοβόληση των τροφίμων με ιονίζουσες ακτίνες, πώς τα ψυγεία διατηρούν τα τρόφιμα κρύα, πώς ένας καταγραφέας δραστηριότητας στον καρπό μας μπορεί να μετρά τον αριθμό των βημάτων μας; Ακριβέστερα, ποια είναι η φυσική που υπόκειται όλων αυτών των τεχνολογικών θαυμάτων της εποχής μας;

«Σκεφθείτε πόσο πλουσιότερη θα ήταν η ζωή σας αν καταλαβαίνατε τον βαθύτερο τρόπο λειτουργίας των αγαπημένων συσκευών που κυβερνούν την καθημερινότητά σας. [...] Και ίσως να εκπλαγείτε μαθαίνοντας ότι ακόμη και οι πιο συνηθισμένες συσκευές —όπως το έξυπνο τηλέφωνο και το GPS— βασίζονται στα θαύματα της σύγχρονης φυσικής. Ένας νέος κόσμος σας περιμένει σε αυτό το προσιτό και γοητευτικό βιβλίο. [...]». —Lawrence M. Krauss, θεωρητικός φυσικός, Πανεπιστήμιο της Αριζόνας

Στο βιβλίο του James Kakalios, «Η φυσική των καθημερινών πραγμάτων», [εκδόσεις κάτοπτρο, μετάφραση επιστημονική επιμέλεια: Βασίλειος Μανιμάνης και Αλέξανδρος Μάμαλης], ο συγγραφέας αναλύει τον κόσμο των πραγμάτων που συναντάμε σε μία και μόνη ημέρα. Η κάθε εξήγηση συνοδεύεται από μια ιστορία η οποία αποκαλύπτει την αλληλεπίδραση των εκπληκτικών αόρατων δυνάμεων που μας περιβάλλουν. Με αυτή την «αφηγηματική φυσική», το βιβλίο μας δείχνει ότι η σύγχρονη επιστήμη —πέρα από τους εξωτικούς τομείς των μποζονίων Higgs, των μαύρων τρυπών και των βαρυτικών κυμάτων— είναι ταυτόχρονα και πολύ πρακτική. O συγγραφέας, με την καθαρότητα και την επινοητικότητα που τον διακρίνουν, προκαλεί τη φαντασία μας και μας σαγηνεύει με τις φυσικές αρχές οι οποίες διέπουν τη ζωή μας.

Ακολουθεί ένα απόσπασμα από το βιβλίο σχετικό με την αναπαραγωγή ήχου:

Sound is a longitudinal wave. Red dots and arrows illustrate individual particle motion. The black arrow illustrates the motion of a wave as the compression of particles moves through the medium. Image used with permission –  copyright: Dan Russell, Grad. Prog. Acoustics, Penn State, http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html.

«… Για να ακούσετε ένα αποθηκευμένο τραγούδι στο έξυπνο τηλέφωνό σας, η συσκευή πρέπει να μετατρέψει έναν αριθμητικό κώδικα σε ηχητικά κύματα, τα οποία δεν είναι παρά αραιώματα και πυκνώματα του αέρα, οπότε αντιστοιχούν και σε διακυμάνσεις της πίεσής του. Η ικανότητα να αποθηκεύουμε μουσική προηγήθηκε της ηλεκτρονικής εποχής, καθώς απλά κουρδιστά μουσικά κουτιά μπορούσαν να παίζουν αποσπάσματα μελωδιών και μηχανικά πιάνα να παίζουν ολόκληρα κομμάτια. Οι μέθοδοι με τις οποίες αποθήκευαν τη μουσική διέφεραν πολύ, αλλά ένα κοινό στοιχείο του μουσικού κουτιού, του μηχανικού πιάνου και του έξυπνου τηλεφώνου είναι ότι, προκειμένου να ακουστούν, πρέπει τελικά να παράγουν δονήσεις του αέρα.

Μια συσκευή αναπαραγωγής ΜΡ3 εφαρμόζει ένα ψηφιακό σύνολο οδηγιών που μιμείται τον τρόπο με τον οποίο οι μικρές οπές παρήγαγαν μουσική στους κυλίνδρους των μηχανικών πιάνων ή των μουσικών κουτιών. Στο μηχανικό πιάνο, ένας εσωτερικός μηχανισμός μπορούσε να καθορίσει ποια πλήκτρα έπρεπε να πατηθούν, με τη βοήθεια ενός χάρτινου κυλίνδρου με στρατηγικά διατεταγμένες οπές. Βασικά, οι θέσεις και οι αποστάσεις μεταξύ των οπών στο φύλλο χαρτιού αντιπροσωπεύουν έναν κώδικα, ο οποίος, όταν ερμηνεύονταν από τον μηχανισμό του πιάνου, έπαιζε μια συγκεκριμένη μελωδία. Οι ψηφιακές πληροφορίες που υπάρχουν αποθηκευμένες στο τηλέφωνό σας ομοίως αποτελούν έναν κώδικα, ο οποίος, όταν διαβαστεί σωστά, δημιουργεί ένα μοτίβο ηλεκτρικών τάσεων. Μόλις οι τάσεις αυτές αποστέλλονται στο ηχείο, μετατρέπονται στα ηχητικά κύματα του συγκεκριμένου κομματιού. Στο εσωτερικό του ηχείου υπάρχει μια μεμβράνη (ένα λεπτό φύλλο πλαστικού) που μπορεί να δονείται. Ανάλογα με τις συχνότητες και τα πλάτη των δονήσεων της μεμβράνης παράγονται κύματα πίεσης στον αέρα, και αυτά είναι τα κύματα που μπορούμε να ακούμε.

Πως μετατρέπονται ηλεκτρικές τάσεις σε μηχανικές δονήσεις της μεμβράνης, ώστε να ακούμε τα παραγόμενα ηχητικά κύματα; Αυτό γίνεται μέσω μαγνητών. Στη βάση της μεμβράνης του ηχείου υπάρχει προσαρμοσμένο ένα μικρό πηνίο, το οποίο μπορεί να κινείται ελεύθερα μπρος-πίσω. Η ηλεκτρική τάση δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο, και οι όποιες μεταβολές στην τάση αντικατοπτρίζονται στο ρεύμα. Αυτές οι μεταβολές του ρεύματος μετατρέπονται σε μηχανικές δονήσεις της μεμβράνης, λόγω της ίδιας συμμετρίας ανάμεσα στα ηλεκτρικά ρεύματα και στα μαγνητικά πεδία που συναντήσαμε και προηγουμένως: τα μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα δημιουργούν μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία. Το προσαρμοσμένο στη μεμβράνη πηνίο βρίσκεται ακριβώς επάνω από έναν μόνιμο μαγνήτη. Όταν το ρεύμα ρέει στο πηνίο δεξιόστροφα (με τη φορά των δεικτών ενός ρολογιού), παράγει ένα μαγνητικό πεδίο προσανατολισμένο έτσι ώστε ο βόρειος πόλος του να βρίσκεται προς το μέρος του βόρειου πόλου του μόνιμου μαγνήτη. Καθώς οι δυο ομώνυμοι πόλοι αλληλοαπωθούνται, το πηνίο σπρώχνει τη μεμβράνη προς τα έξω. Όταν πάλι η τάση αντιστραφεί, το ρεύμα ρέει στο πηνίο αριστερόστροφα, και το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο έχει τον νότιο πόλο του προς το μέρος του βορείου πόλου του μόνιμου μαγνήτη. Καθώς οι δυο ετερώνυμοι πόλοι έλκονται αμοιβαία, το πηνίο τραβά τη μεμβράνη προς τα μέσα. Με τον τρόπο αυτό, οι συχνές μεταβολές της ηλεκτρικής τάσης, και στη συχνότητα και στο πλάτος της, προκαλούν δονήσεις της μεμβράνης, οι οποίες με τη σειρά τους δημιουργούν ηχητικά κύματα.

Στην περίπτωση ενός ακουστικού αφτιού («ψείρα»), η δονούμενη μεμβράνη είναι πολύ κοντά στο τύμπανο του αφτιού. Σε ένα συμβατικό στερεοφωνικό, η μεμβράνη του ηχείου βρίσκεται στην κορυφή ενός μεγαλύτερου κώνου, ο οποίος ενισχύει τις δονήσεις της μεμβράνης. Τα ηχεία ενός έξυπνου τηλεφώνου βρίσκονται αναγκαστικά σε περιορισμένο χώρο, οπότε η ποιότητα και η ένταση της μουσικής που παίζει το τηλέφωνο υστερούν. (Αν θέλετε έναν γρήγορο και μάλλον πρόχειρο τρόπο για να ενισχύσετε τον ήχο του τηλεφώνου, τοποθετήστε το στον πυθμένα ενός δοχείου, κατά προτίμηση ξύλινου, οπότε ο ήχος θα γίνει πλουσιότερος και βαθύτερος. Οι φυσικές συχνότητες του ξύλου ενισχύουν τα ανακλώμενα ηχητικά κύματα, καθιστώντας το ξύλο προτιμητέο υλικό για την κατασκευή έγχορδων μουσικών οργάνων)…»

Πηγές: http://kakalios.com/books/the-physics-of-everyday-things/ - physicsgg