Fyzika novoročního rána

Silvestr se vydařil? Jak se vám ráno vstávalo? Představuji si situaci: vstanete a podíváte se do zrcadla – vlasy jsou zježené a odstávají od hlavy. Jdete do koupelny, muži si udělají pěnu na holení, dámy vlezou do pěnové koupele ve vaně. Jdete do kuchyně a zrak spočine na všech těch nesmyslných magnetech, které máte na ledničce. K snídani si dáte oblíbené cereálie s mlékem a zase je musíte odlepovat od stěn misky. Na stole je ještě mísa s oříšky od večera, na vrchu leží ty největší. Kouknete oknem ven – je první leden, venku je pravděpodobně led a někdo se už klouže... Všechno tohle jsou fyzikální zázraky – a překvapivě, dodnes si s mnoha podobnými jevy běžného dne věda neví rady...

Fyzikové umějí zjistit neuvěřitelné věci třeba o rozměrech a chování černých děr ve vesmíru, o částicích v nitrech atomů tak malých, že je nikdy neuvidíme, ale přitom stále tápou nad vysvětlením jevů, které vidíme každý den.

Zježené vlasy

Ráno jste vstali, stáhli přes hlavu pyžamo, vlasy se zježily, natáhli jste svetr a dostali od něj ránu. A pokud jste vstali za tmy, viděli jste i jiskřičky. Rány statické elektřiny jsou náhlé a nepříjemné. Vyskytnou se, když se na povrchu vašeho těla nahromadí přebytek kladného nebo záporného náboje, který se vybije v okamžiku, když se něčeho dotknete. Nebo k nim může dojít, když se statická elektřina nahromadí např. na klice, či ve svetru, který si právě oblékáte. Stanete se výstupní cestou přebytečného elektrického náboje. Ale proč se statická elektřina nahromadí? Přes všechno, co jste se o ní učili ve škole, je to stále nejasné. Obecné (a pravděpodobně částečně správné) vysvětlení říká, že když se dva objekty třou o sebe, tření vyrazí elektrony z atomů v jednom z objektů a ty se pak přesunou na druhý, přičemž prvnímu objektu zůstane přebytek kladně nabitých atomů a druhému přebytek záporných elektronů. Oba objekty (řekněme vaše vlasy a vlněný svetr) budou poté staticky nabité. Proč ale elektrony proudí jen z jednoho objektu do druhého, místo aby se pohybovaly oběma směry? To nebylo nikdy uspokojivě vysvětleno a studie výzkumného pracovníka Northwestern University Bartosze Grzybowského zjistila, že tomu tak ani nemusí být. Jak je podrobně popsáno např. zde https://www.popularmechanics.com/science/energy/a6757/a-shocking-new-understanding-of-static-electricity/, Grzybowski zjistil, že na staticky nabitých objektech existují políčka jak nadměrného kladného, ​​tak záporného náboje. Zjistil, že statická elektřina může být vysvětlena přenosem celých molekul povrchového materiálu třených objektů! Možná se dočkáme zcela jiného pohledu na věc.

Pěna

Nemuseli jste se dneska koupat ani holit, ale třeba jste si po ránu dali pivo nebo laté. S pěnou se potkáváme tak často, že nás možná ani nenapadne, jak divná je to věc. Je šlehačka pevná látka, kapalina nebo plyn? Podle profesora fyziky Douglase Duriana je pěna typicky tvořená z 95 procent plynem a z 5 procent kapalinou. Ale ovšem trochu se to chová i jako pevná látka... Plyn je v pěně oddělen kapalinou a vytváří matrici drobných bublin. Pokud jsou bublinové stěny z kapaliny dostatečně tuhé, může si pěna udržet tvar a jeví se jako pevná. Neexistuje však žádný vzorec, který by přesně předpovídal, jak tuhá nebo měkká bude pěna na základě velikosti bublin nebo množství kapaliny, kterou obsahuje. „Pěna je náhodné uspořádání bublin v relativně malém množství kapaliny obsahující povrchově aktivní nečistoty. Chová se jako všechny tři obvyklé stavy hmoty zároveň. Fyzice pěny ještě moc nerozumíme,“ říká Durian. Profesorova prezentace o pěně zde https://boulderschool.yale.edu/sites/default/files/files/[1]introduction.pdf . Tak už nad tím nebádejte a jděte si dát k snídani pěnu CO₂ vytvořenou kvasnicemi v bochníku chleba.

Magnet

Legrační obrázky a rádobyvtipné destičky drží na dvířkách od lednice jak přilepené. Co je drží, když lepidlem přilepené nejsou? Magnetická pole elektronů ve hmotě za normálních okolností směřují různými směry a navzájem se ruší. To je důvod, proč se nepřilepíte k ledničce vy, když jdete kolem ní, přestože obsahujete miliardy elektronů. Ale když se titěrná magnetická pole všech elektronů v objektu vyrovnají stejným směrem, což můžeme pozorovat např. u mnoha kovů, vygeneruje se silné magnetické pole. To působí silou na jiné magnetické objekty, buď je přitahuje, nebo odpuzuje v závislosti na směru jejich vlastních magnetických polí. Pokus o pochopení magnetismu na hlubší úrovni je obtížný. Klasicky ho vyložit nelze, to dokáže až kvantovou teorie. Ta velmi přesně vysvětluje chování částic včetně jejich magnetismu, není však nikterak intuitivní. Co je to vlastně magnetické pole, proč ho některé částice mají a proč se z některých vytvářejí stabilní makroskopické magnety se severním a jižním pólem? „Pozorujeme, že při pohybu nabité částice se vytvoří magnetické pole a proudová smyčka se chová jako dipól. Ve skutečnosti nevíme proč. Je to jen rys vesmíru a matematické popisy jsou jen pokusy vyřešit úkoly, které nám předkládá příroda“ říká Jearl Walker, profesor fyziky na Clevelandské státní univerzitě a spoluautor široce používané učebnice „Fundamental of Physics“ (u nás opakovaně přeložena jako „Fyzika“, Halliday, Resnick, Walker, VUTIUM, Brno). Jak magnety fungují, si můžete po ránu přečíst zde https://www.livescience.com/32633-how-do-magnets-work.html.

Směs oříšků

K silvestrovskému přípitku jste si možná včera připravili misku oříšků. Dobré a zdravé mlsání. Možná jste si všimli zajímavé věci: ty největší ořechy, jako jsou třeba para resp. brazilské ořechy, se vždycky uspořádají na vrch misky. Tento jev má dokonce své jméno: „Brazil nut effect“, česky „granulární konvekce“. Pro fyziky je bez legrace jednou z největších nerozluštěných záhad fyziky mnoha těles popisující velká množství interagujících objektů, přestože s podobným uspořádáním se můžeme setkat i v mnoha jiných případech. Ve směsích (ať už jsou to ořechy, sedimentární usazeniny nebo jiné předměty různé velikosti) se větší kusy v průběhu času vynoří na povrch navzdory jejich velikosti, zatímco menší předměty mají tendenci se v průběhu času ponořit níže do hromádky. První vysvětlení, které nás napadne, je, že malé věci „stékají“ mezerami. Svou roli mohou sehrát také konvekční proudy, stejně jako kondenzace menších částic. Všechny tyto možnosti a několik dalších pravděpodobně přispívají k „efektu brazilských ořechů“, ale nikdo neví, které z nich nebo do jaké míry přesně, protože zatím nebyly provedeny žádné úspěšné počítačové simulace tohoto jevu. Jste-li počítačový maniak, dejte si to do novoročních předsevzetí. Nejen prodejci ořechových směsí, ale také fyzici, astronomové a geologové, ti všichni by měli prospěch z porozumění tomuto jevu. Mírný nástin vysvětlení najdete zde https://cs.wikipedia.org/wiki/Granul%C3%A1rn%C3%AD_konvekce.

Plovoucí cereálie

Připravili jste si misku müsli a zalili je mlékem. Přemýšleli jste někdy o tom, proč se vaše snídaňové cereálie shlukují nebo lpí na bocích misky s mlékem? Tento jev shlukování, který vědci nazvali Cheeriosův efekt, se týká všeho, co plave, včetně bublin v perlivé sodě a částeček vlasů ve vodě po ranním oholení. Dominic Vella, postgraduální student na univerzitě v Cambridgi, a Lakshminarayanan Mahadevan, matematik z Harvardovy univerzity, byli první, kdo v r. 2005 tento jev vysvětlili použitím jednoduché fyziky. Dokázali, že „efekt Cheerios“ je výsledkem geometrie povrchu kapaliny. Povrchové napětí způsobí, že povrch mléka se uprostřed misky mírně propadne. Protože molekuly vody v mléce jsou přitahovány ke sklu nádoby, povrch mléka se zakřivuje nahoru kolem okraje mísy. Z tohoto důvodu kousky obilovin poblíž okraje plují vzhůru podél této křivky a vypadají, jako by se držely okraje. Povrchové napětí může i za to, že obiloviny plovoucí uprostřed vaší misky promáčknou povrch mléka a vytvoří v něm prohlubeň. Když se dotknou dva kousky obilovin, jejich dvě promáčknutí se spojí do jednoho, a tak se shloučené cereálie v klidu drží pohromadě. Všechno o Cheerios effect najdete zde https://www.scilynk.in/cheerios-effect/#:~:text=What%20is%20the%20Cheerios%20Effect%3F%20In%20fluid%20mechanics%2C,of%20bubbles%20on%20the%20surface%20of%20soft%20drinks.

Led

Je-li dnes venku ledovka, buďte opatrní - ani sto padesát let vědeckého výzkumu ještě nezjistilo, proč na ledu můžete upadnout. Vědci se shodují, že tenká vrstva kapalné vody na povrchu pevného ledu způsobuje jeho kluzkost a že pohyblivost tekutiny ztěžuje chůzi, i když je vrstvička ultra tenká. Neexistuje však shoda, proč na zmrzlé vodě, na rozdíl od většiny ostatních pevných látek, taková vrstva vůbec existuje. Teoretici vysvětlují, že to může být samotný čin „klouznutí“, tedy tlaku na led, který způsobí přechod povrchové vrstvy pevné látky do kapalného skupenství (takto se vysvětluje třeba schopnost bruslení). Jiní si myslí, že tekutá vrstva už je tam dříve, než došlápnete, a je nějak generována inherentním pohybem povrchových molekul. Nejen o ledu, ale i o mnoha dalších překvapivých vlastnostech vody se můžete dočíst zde https://www.livescience.com/33505-water-strange-physics.html.

Víme, že hledáte někoho nebo něco, co byste mohli obvinit, až sebou praštíte o zem na klouzačce, ale bohužel, stále nevíme, koho nebo co přesně....

Tak všechno nejlepší v Novém roce a žádné pády na ledu ani jinde!

Zdroj: https://www.livescience.com/33537-mysterious-physics-everyday-things.html