Pozorování a experiment: Jak padají listy?

Všimli jste si někdy rozmanitosti, se kterou listy volně klesají k zemi? Některé se kymácí, jiné se pomalu vznáší, a některé padají přímo dolů. Co způsobuje, že se každý list pohybuje jinak? Klíčem je tvar a velikost listu – dva faktory, které mají zásadní vliv na jeho pád.

Pomůcky: různé druhy papíru (měkký, tvrdý), nůžky, kancelářské svorky.

Postup:

1. Vezmi list papíru a pusť ho z výšky. Sleduj, jak padá.

2. Vyzkoušej to samé s tvrdším papírem (například čtvrtkou). Co se změní? 

3. Zkus různé velikosti papíru a sleduj, jak jejich rozměry ovlivňují pohyb vzduchem.

Zajímavé zjištění: Děti často předpokládají, že těžší předměty, jako jsou kaštany, žaludy, bukvice padají rychleji než listy kvůli jejich vyšší hmotnosti. To není ale hlavní důvod. Nakonec i velmi hmotný parašutista se dokáže pomalu snášet k zemi.

Proveďte experiment, který ukáže, že hmotnost není jediným faktorem!

Pokus s papírem: Co rozhoduje o rychlosti pádu?

Vezmi dva stejně velké listy papíru. Jeden zmačkej do kuličky, druhý nech rozložený. Pusť oba současně z výšky a sleduj, co se stane.

Důležité je vysvětlit, že i když zmačkaný papír padá rychleji, není těžší – to jeho tvar způsobuje, že je méně ovlivněn odporem vzduchu. To je důvod, proč se rozložený list „vznáší“ – větší plocha papíru se tře o vzduch, čímž se zpomaluje jeho pád. Tento princip používají padáky!

Otázka: Proč na podzim padají listy i plody?

Stromy se zbavují listů, aby v zimě šetřily energií a vodou, která je nedostatková. Listy v zimě strom zbytečně zatěžují, proto je strom nechá opadnout. Plody zase v sobě ukrývají semínka, která jsou právě v této době plně vyvinutá a připravená na klíčení. Na jaře a v létě probíhá jejich zrání – během tohoto období strom investuje energii do jejich vývoje, aby byla dostatečně silná na přežití a růst. Na podzim jsou pak semínka připravená k rozptylu a následnému klíčení, které obvykle probíhá až následující jaro, kdy jsou optimální podmínky pro růst nových rostlin (dostatek vody, teplo).

Některé stromy nemají své semínko ukryto v tvrdém plodu, jako je kaštan, žalud, ořech apod. Některá semínka jsou naopak vybavena lehkým křidélkem, které má zajistit co největší prostorový zásah.

Experiment s dvounažkou

Typickým a oblíbeným zástupcem okřídleného semínka jsou dvounažky javoru, tzv. „nosíky“. Pojďme prozkoumat jejich padání.

Postup: Vystřihni z papíru tvar podle nákresu, který sepneš na volných koncích kancelářskou svorkou. Tento papírový simulátor připomíná dvounažku (plod javoru). Nech ho padat z výšky a sleduj jeho pohyb. Vyzkoušej různé velikosti – bude se pohyb měnit?

Nažka se při pádu točí kvůli svému specifickému tvaru, který vytváří efekt podobný vrtuli. Tento tvar způsobuje nerovnoměrné proudění vzduchu kolem plodu. Když nažka padá, její křídlo narazí na vzduch a způsobí nerovnováhu v silách působících na různé části plodu. Výsledkem je rotace, která zpomaluje její pád a umožňuje delší a stabilnější pohyb vzduchem. Točení nažky je výhodné, protože zpomaluje její pád, což jí umožňuje odnést vítr dále od mateřského stromu. Tento mechanismus zvyšuje šance, že semínko dopadne na vhodné místo pro klíčení, a tím se zvyšuje šance na přežití a růst nového stromu.

Ještě jeden pokus: vrtulka

Na internetu najdeš nespočet různých tipů na jednoduché papírové vrtulky. My máme v klubu oblíbenou tuto opravdu jednoduchou.

Vystřihni proužek papíru a lehce nastřihni oba jeho konce. Zaklesni je do sebe, čímž vytvoříš tvar připomínající profil rybičky. Vyhoď ji do vzduchu nebo nech padat z výšky. Sleduj, jak se pohybuje. Změnila se rotace oproti dvounažce?

Věděli jste, že…?

Aerodynamika je věda, která zkoumá pohyb předmětů vzduchem. Díky jejím poznatkům můžeme stavět letadla, raketoplány a mrakodrapy odolné proti větru. Ať už sleduješ padající list, nebo vzlétající raketu, za vším stojí stejné fyzikální principy!

V prosinci 1942 byl v Americe spuštěn první jaderný reaktor na světě. První reaktor v Evropě byl spuštěn v prosinci 1946 v Moskvě. Necelý rok poté byla Komisí pro atomovou energii v USA založena Brookhavenská národní laboratoř věnující se mimo jiné jaderné fyzice. V roce 1949 byl v Moskvě postaven první cyklotron. Vše směřovalo k tomu, že porozumění podstatě hmoty změní navždy běh dějin, a Evropa si uvědomila, že nesmí zůstat pozadu.

Společně dokážeme více

Rozhodnutí o založení Evropské rady pro jaderný výzkum bylo přijato na setkání UNESCO v Paříži v prosinci 1951. Dva měsíce poté podepsalo 11 zemí dohodu o ustavení prozatímní Rady a akronym CERN (z francouzského Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) byl na světě. Pro umístění budoucí laboratoře byla vybrána Ženeva. Zakládací listinu Evropské organizace pro jaderný výzkum postupně ratifikovalo 12 zakládajících zemí: Belgie, Dánsko, Francie, SRN, Řecko, Itálie, Holandsko, Norsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a Jugoslávie. Prozatímní Rada byla poté rozpuštěna, ale akronym CERN zůstal.

Slibné začátky

V roce 1955 začala stavba prvního CERNského urychlovače – Synchrocyclotronu. Již dva roky poté začal na 600 MeV poskytovat paprsky částic pro fyzikální experimenty a následovaly skvělé výsledky, například v oblasti mionové fyziky. Po dlouhá léta byl Synchrocyclotron centrem vědeckého dění CERNu. Jeho činnost byla ukončena až v roce 1990.

Proton Synchrotron se začal stavět v květnu 1954, jeho prstenec o obvodu 628 m byl dokončen v roce 1959 a v prosinci téhož roku bylo dosaženo energie 28 GeV. Pro funkci tohoto urychlovače bylo třeba prozkoumat možnosti výroby magnetů s vysokou přesností, nalézt způsob jejich stabilního uchycení a správně zvolit řazení. Bylo třeba naučit se, jak správně ovládat paprsek částic a urychlovací systém radiofrekvenčních rezonátorů a v neposlední řadě i jak spravovat a řídit rozsáhlý projekt. Program experimentů byl spuštěn na jaře 1960 a byl poznamenán absencí odpovídajících částicových detektorů, jakož i zkušených fyziků, stejně jako odlišností práce oproti Synchrocyclotronu. Proton Synchrotron byl průběžně vylepšován a adaptován pro funkci injektoru pro další urychlovače. Rychle extrahovaný proud částic byl poprvé získán roku 1963 metodou umožňující z oběhu vybrat všechny nebo jen část částic během jedné otáčky za pomoci nově instalovaného magnetu s velmi krátkou reakční dobou. Jako detektor byla vybudována dvoumetrová bublinová komora.

Takhle by to šlo

V roce 1965 bylo schváleno rozšíření laboratoře na francouzské území. CERNská rada taktéž schválila výstavbu prvního „collideru“ na světě – Intersecting Storage Rings. Byl postaven v letech 1966 – 1970 na území Francie, v sousedství původního CERNu. Jeho magnety byly uspořádány do tvaru mřížky, což umožnilo zaostření svazku na principu „alternating-gradient“. Vedly jím dva nezávislé prstence prolínající se celkem na osmi místech, z nichž pět bylo zvoleno pro provádění experimentů. Intersecting Storage Rings byl ukryt v 943 m dlouhém kruhovém tunelu. Maximální energie paprsku činila 31,4 GeV. Při experimentech bylo dosaženo špičkových provozních hodnot, zejména vysoké luminozity (množství srážek částic za jednotku času). Díky tomu se vědcům naskytla vynikající příležitost studovat děje předvídané různými teoriemi, například efekty probíhající mezi dvěma paprsky, reakce paprsku a prostředí, rozptýlení a chování částic uvnitř paprsku.

Zlaté časy

V roce 1968 zkonstruoval George Charpak tzv. drátovou komoru – nový typ detektoru umožňující elektronickou detekci částic. Do té doby se částice vzniklé při srážkách hledaly ručně na fotografiích z bublinkových komor. Tento vynález přinesl revoluci v konstrukci detektorů částic. Použití se pro něj našlo i v jiných oborech – v lékařství, biologii nebo průmyslu. George Charpak získal za tuto práci Nobelovu cenu za fyziku.

V roce 1971 se začal na francouzském území stavět Super Proton Synchrotron o obvodu 7 km s plánovanou energií paprsku 300 GeV. Detektor Gargamelle (velká bublinková komora naplněná 10 tunami kapalného freonu) byl vystaven svazku mionových antineutrin, což přineslo jeden z největších objevů v CERNu – neutrální proudy. Ukázalo se, že proton se při tvrdé srážce s elektronem chová jako systém skoro volných kvarků. Byla získána dodnes nejpřesnější data o struktuře protonu a kvantitativní popis těchto měření vedl k potvrzení základních rysů kvantové chromodynamiky. V roce 1981 urychloval Super Proton Synchrotron protony a antiprotony (připravené pomocí stochastického chlazení vynalezeného v CERNu). Později byly ke srážkám používány také elektrony, pozitrony a těžké ionty. V roce 1983 došlo k historickému objevu bosonů W (leden) a Z (květen) – dlouho hledaných nosičů slabé interakce – a byla tak potvrzena elektroslabá teorie sjednocující slabé a elektromagnetické síly. V roce 1984 za vedoucí roli v těchto objevech dostali Carlo Rubbia a Simon van der Meer Nobelovu cenu.

Hlavní pozornost se však tou dobou soustředila na stavbu urychlovače LEP (Large Electron-Positron collider) s očekáváním, že pomůže odhalit onen vytoužený Higgsův boson a potvrdit tak Standardní model elementárních částic. LEP byl se svým 27kilometrovým obvodem dosud největším vědeckým přístrojem. Po dosažení požadované energie v něm obíhaly elektrony a pozitrony, každý z typů opačným směrem a na stanovených místech docházelo ke srážkám. V místech srážek byly instalovány detektory s různými zaměřeními. Hlavním cílem LEPu bylo pozorovat chování bosonu Z – nenabitého nosiče slabé interakce. LEP se skládal z 5 176 magnetů a 128 urychlovacích dutin. Do roku 1989 pracoval s energií 100 GeV a vyprodukoval 17 milionů bosonů Z. Poté byl upraven přidáním 288 supravodivých urychlovacích dutin, což vedlo ke zdvojnásobení dosahované energie.

V roce 1989 navrhl Tim Berners-Lee pro potřebu výměny informací mezi vědci v laboratořích CERNu distribuovaný informační systém založený na hypertextu a odkazech na informace uložené na různých počítačích. Pro tento systém zvolil jméno „World Wide Web“ (pro přenos stránek mezi počítači využil do té doby mimo akademické instituce téměř neznámou síť „internet“).

Ještě dál

V září 1995 se podařilo mezinárodní skupině vedené Walterem Oelertem na zařízení LEAR (Low Energy Antiproton Ring) syntetizovat první atomy antivodíku. 9 takovýchto atomů bylo vytvořeno kolizí mezi antiprotony a atomy xenonu během pokusu trvajícího tři týdny. Každý z těchto atomů existoval asi 40 miliardtin sekundy, proletěl vzdálenost deseti metrů téměř rychlostí světla a pak anihiloval s běžnou hmotou.

V prosinci 1991 Rada jednohlasně odsouhlasila, že navrhovaný urychlovač LHC (Large Hadron Collider) je ten správný nástroj pro budoucnost. Výstavba LHC byla definitivně schválena v roce 1994. Podstatnou částí urychlovače LHC je 1 232 dipólových magnetů o hmotnosti 28 t, délce 14,5 m a magnetické indukci 8,3 T, které udržují částice na kruhové dráze. Pro dosažení takovéto magnetické indukce mají cívky magnetů vinutí z Nb-Ti kabelů a vedou proud 12 kA. V roce 1997 se USA stávají po podpisu dohody o poskytnutí podstatného příspěvku na LHC (531 milionů USD) pozorovatelským státem v CERNu.

V roce 2000 poskytují experimenty v CERNu přesvědčivé signály existence nového stavu hmoty, který je 20krát hustší než obvyklá hadronová hmota a ve kterém se kvarky osvobozují od vazby v nukleonech a volně se pohybují. Takový stav hmoty, „kvark-gluonová plasma”, musel existovat několik mikrosekund po Velkém třesku, před vytvářením pozorovatelných hmotných částic.

LHC byl spuštěn do provozu v roce 2008 a mezi nejdůležitější objevy, které se od něj očekávají, patří nalezení nových částic, zejména Higgsova bosonu. Vědci také doufají, že budou mít možnost pozorovat zvláštní jevy, které předpovídají teorie předpokládající více rozměrů prostoru.

Pár perliček na závěr

CERN byl založen s cílem věnovat se vědě pro mírové účely. Po celou dobu se tam pracuje jen na základním výzkumu.

• Výsledky experimentů z CERNu jsou veřejně dostupné.
• V padesátých letech bylo v CERNu asi 8 000 vědců. Dnes pracují v CERNu hlavně lidé, kteří připravují podmínky pro experimenty a odečítají naměřená data, a vědci si je už zpracují z tepla domovské instituce. Na výzkumu se v současnosti podílí přes 10 000 vědců z 580 univerzit z 85 různých zemí.
• Při budování Super Proton Synchrotronu bylo při stavbě tunelu dosaženo přesnosti 2 cm na 1,2 km.
• Mezi nesporné technologické výsledky CERNu patří pokrok ve vakuové technice a aplikaci nízkých teplot, ve výrobě a použití silných supravodivých magnetů, vysokofrekvenční elektrotechniky i přesné strojírenské a stavební technologie.
• I díky obrovské zakázce od CERNu jsou v Evropě dvě firmy vyrábějící supravodiče.
• USA zamýšlely vybudovat Superconducting Super Colliderc s násobně vyšší energií, ale s koncem studené války se na takovéto „hračky“ již nenašly v rozpočtu peníze. V roce 1993 byl projekt ukončen. 23,5 km již vykopaného tunelu nyní slouží jako datové centrum a pěstírna žampionů.
• Dnes Tim Berners-Lee, zakladatel webu, pracuje na koncepci GRIDu (možnosti transparentně sdílet výpočetní výkon mezi počítači).
• Zpracování dat by se neobešlo bez počítačů. Postupně CERNem prošly elektronkové i tranzistorové počítače. Namátkou se jednalo o Ferranti Mercury, IBM 709/7090, CDC 6600, CDC 7600, IBM 370/168, Siemens 7880, HOPE/CSF/sHIFT, servery s VAX 780/750/8600 a Cray X/MP-48.

Během 55 let své existence dokázal CERN spojovat vědce, společnosti i národy. Dnes, stejně jako při jeho zrodu, stojíme před velkými objevy. Lidská fantazie je neomezená. Meze poznání právě hledáme. Čas a CERN ukáže, co najdeme.

Odkazy

· CERN: Společně soupeřit i tvořit: http://www.abclinuxu.cz/clanky/ruzne/cern-spolecne-souperit-i-tvorit

· CERN: http://www.cern.ch, http://en.wikipedia.org/wiki/CERN

· Encyklopedie fyziky > Historie CERNu: http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=862

Autor: Na základě „CERN: Společně soupeřit i tvořit, Václav Kratochvíl, AbcLinuxu 23. 12. 2009“ připravila Pavla Janovská