elgavrilis's blog

Το γεγονός ότι το νερό παραμένει στο ίδιο επίπεδο μέσα από σωλήνες που επικοινωνούν, μπορεί να αποδειχθεί αν γεμίσουμε ένα σωλήνα του κήπου με νερό και φέρουμε κοντά τα άκρα του. Οι στάθμες είναι ίδιες. Και θα παραμείνουν ίδιες κι’ όταν τα δύο άκρα απομακρυνθούν το ένα από το άλλο. Αυτό όμως δεν το ήξεραν οι Ρωμαίοι μηχανικοί που σχεδίαζαν προσεγμένα υδραγωγεία με ψηλές αψίδες και αγωγούς τριγύρω, ώστε να είναι βέβαιοι πως το νερό θα κυλά πάντα..λίγο χαμηλότερα από τη δεξαμενή προς την πόλη.

Οι σύγχρονοι “Ρωμαίοι” σήμερα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ότι έχει απομείνει από τα υδραγωγεία που κατασκεύασαν οι μακρινοί πρόγονοί τους. Αν και οι Ρωμαίοι σκλάβοι της αρχαιότητας έκαναν πολύ καλή δουλειά, δεν μπορούμε να πούμε το ίδιο για τους Ρωμαίους μηχανικούς που ήταν υπεύθυνοι. Οι γνώσεις τους στη στοιχειώδη φυσική ήταν σαφώς ανεπαρκείς.

Το σχήμα αναπαριστά μια εικόνα που φυλάσσεται στο Γερμανικό Μουσείο του Μονάχου. Όπως βλέπετε, οι Ρωμαίοι δεν έθαβαν τα συστήματα ύδρευσης στο έδαφος, αλλά τα τοποθετούσαν σε ψηλά στηρίγματα από τοιχοποιία. Γιατί; Δεν είναι οι υπόγειοι σωλήνες του τύπου που χρησιμοποιούμε σήμερα πιο απλοί; Οι Ρωμαίοι μηχανικοί της αρχαιότητας είχαν μια πολύ θολή αντίληψη, για την αρχή των συγκοινωνούντων δοχείων. Φοβόντουσαν ότι σε δύο δεξαμενές που συνδέονται με έναν πολύ μακρύ σωλήνα, το νερό δεν θα ανέβαινε στο ίδιο επίπεδο. Επιπλέον, αν οι σωλήνες τοποθετούνταν στο έδαφος και ακολουθούσαν το φυσικό ανάγλυφο, σε ορισμένα σημεία το νερό θα έπρεπε να ρέει προς τα πάνω, και αυτό ήταν κάτι που οι Ρωμαίοι φοβόντουσαν ότι δεν θα γινόταν. Αν έβαζαν σωλήνες στο έδαφος και ακολουθούσαν τη φυσική κλίση, θα έβλεπαν πως σε μερικές θέσεις το νερό θα έπρεπε να κυλά προς τα πάνω. Ήταν όμως δύσπιστοι σ’ αυτό όπως αναφέρθηκε. Ο αποδεικτικός πειραματισμός δεν ήταν ακόμη στη μόδα. Οι σκλάβοι που δούλευαν ήταν άφθονοι, και έτσι κτίζονταν πολύπλοκα υδραγωγεία.

Αν οι Ρωμαίοι μηχανικοί είχαν καταλάβει ότι μπορούσαν να κάνουν το νερό να κυλίσει προς τα πάνω, τόσο καλά όσο και προς τα κάτω, τότε τα Ρωμαϊκά υδραγωγεία δεν θα είχαν κατασκευαστεί!

Γι’ αυτό τα υδραγωγεία τους συνήθως έχουν κλίση σε όλο το μήκος τους. Συχνά έπρεπε είτε να ακολουθήσουν τους σωλήνες σε μια κυκλική διαδρομή είτε να ανεγείρουν ψηλές καμάρες. Ένα ρωμαϊκό υδραγωγείο, γνωστό ως Aqua Marcia, έχει μήκος 100 Km, αν και είναι η μισή απόσταση μεταξύ των δύο σημείων του σε ευθεία γραμμή. Όπως θα δείτε, η άγνοια αυτή των αρχαίων Ρωμαίων για έναν στοιχειώδη νόμο της φυσικής προκάλεσε την κατασκευή 50 χιλιομέτρων επιπλέον τοιχοποιίας.

ΕΝΑ ΑΙΝΙΓΜΑ ΜΕ ΤΣΑΓΙΕΡΕΣ

Το σχήμα δείχνει δύο τσαγιέρες ίδιου πλάτους και πάχους. Η μία, ωστόσο, είναι ψηλότερη από την άλλη. Ποια από τις δύο χωράει περισσότερο; Ένα άτομο που δεν σκέφτεται πιθανότατα θα έδειχνε την ψηλότερη. Ωστόσο, και τις δύο, θα μπορούσαμε να την γεμίσουμε μόνο μέχρι το ύψος του στομίου τους, και αν ρίξουμε περισσότερο, θα χυθεί. Τώρα, επειδή τα στόμια και των δύο τσαγερών βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, η χαμηλότερη χωράει ακριβώς όσο υγρό και η ψηλότερη. Καταλαβαίνουμε εύκολα γιατί. Η τσαγιέρα και το στόμιό της είναι δύο συγκοινωνούντα δοχεία και επομένως και στο εσωτερικό τους το υγρό θα πρέπει να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο, παρόλο που η ποσότητα υγρού στο στόμιο είναι πολύ μικρότερη από την ποσότητα μέσα στην ίδια την τσαγιέρα.  Δεν θα μπορέσετε ποτέ να γεμίσετε την καφετιέρα μέχρι πάνω, εκτός αν το στόμιο είναι αρκετά ψηλό. Σε κάθε απόπειρα να βάλουμε περισσότερο νερό, το νερό απλώς θα συνεχίσει να χύνεται. Συνήθως το στόμιο είναι κατασκευασμένο να είναι λίγο ψηλότερο από το καπάκι της τσαγιέρας, για να μπορεί κανείς να το γείρει χωρίς να χυθεί το περιεχόμενό της.

Ένα δοχείο είναι γεμάτο με νερό μέχρι το χείλος. Ένα διπλανό ίδιο δοχείο είναι επίσης γεμάτο με νερό μέχρι το χείλος, αλλά με ένα κομμάτι ξύλου να επιπλέει μέσα, όπως φαίνεται στην εικόνα:

Ποιο από τα δύο είναι βαρύτερο; Αν και το ρωτήσαμε αυτό σε διαφορετικούς ανθρώπους, πήραμε αντιφατικές απαντήσεις. Κάποιοι είπαν ότι ο κουβάς με το κομμάτι ξύλου μέσα θα ήταν βαρύτερος επειδή περιείχε ένα κομμάτι ξύλου εκτός από το νερό. Άλλοι είπαν ότι ο κουβάς με το νερό χωρίς το κομμάτι ξύλου θα ήταν βαρύτερος, αφού το νερό γενικά ζυγίζει περισσότερο από το ξύλο. Κανένας από τους δύο δεν είχε δίκιο. Και οι δύο κουβάδες ζυγίζουν το ίδιο. Ο δεύτερος κουβάς, πράγματι, περιέχει λιγότερο νερό από τον πρώτο, επειδή το ξύλο εκτοπίζει μέρος του νερού. Συγκεκριμένα εκτοπίζει ποσότητα νερού ίση με το βάρος του. Σύμφωνα δηλαδή με τον σχετικό νόμο, κάθε σώμα που επιπλέει εκτοπίζει με το βυθισμένο μέρος του ακριβώς τόσο υγρό (σε βάρος) όσο ζυγίζει ολόκληρο αυτό το σώμα. Γι’ αυτό ισορροπεί η ζυγαριά.

Τώρα προσπαθήστε να λύσετε ένα άλλο πρόβλημα. Πάρτε ένα ποτήρι νερό, βάλτε το στον ένα δίσκο της ζυγαριάς, και βάλτε ένα βάρος δίπλα του. Ισορροπήστε τη ζυγαριά. Στη συνέχεια, ρίξτε το βάρος δίπλα στο ποτήρι μέσα σε αυτήν. Τι συμβαίνει με τη ζυγαριά; Σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη, στο νερό το βάρος πρέπει να ζυγίζει λιγότερο από ότι όταν βρίσκεται έξω από το ποτήρι.

Κατά συνέπεια, δεν θα έπρεπε να ανέβει αυτός ο δίσκος της ζυγαριάς; Ωστόσο, η ζυγαριά δείχνει το ίδιο!  Οι δίσκοι διατηρούν την ισορροπία τους. Γιατί; Όταν ρίχνεται στο ποτήρι, το βάρος εκτόπισε μέρος του νερού, το οποίο στη συνέχεια ανέβηκε σε υψηλότερο επίπεδο από πριν. Αυτό πρόσθεσε στην πίεση που ασκείται στον πυθμένα του δοχείου, το οποίο έτσι διατηρούσε μια πρόσθετη δύναμη ισοδύναμη με το βάρος που αφαιρέθηκε λόγω της άνωσης.

Ανοίγουμε μια ομπρέλα, την τοποθετούμε με την κορυφή της στο πάτωμα και περιστρέφουμε τη λαβή. Μπορούμε πραγματικά εύκολα να την κάνουμε να περιστραφεί αρκετά γρήγορα. Αν τώρα ρίξουμε μια μικρή μπάλα ή ένα τσαλακωμένο κομμάτι χαρτί μέσα στην ομπρέλα, δεν θα μείνει εκεί. Θα εκτοξευθεί από αυτό που λανθασμένα έχει ονομαστεί «φυγόκεντρος δύναμη», αλλά που στην πραγματικότητα δεν είναι τίποτα άλλο παρά μια εκδήλωση της δύναμης της αδράνειας. Η μπάλα ή το κομμάτι χαρτί θα εκτοξευθεί, όχι κατά μήκος της συνέχειας της ακτίνας αλλά εφαπτομενικά στην κυκλική κίνηση.

ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΤΑΨΙ

Σε ορισμένα δημόσια πάρκα μπορεί κανείς να βρει ένα παιχνίδι ψυχαγωγίας (Εικόνα) βασισμένο σε αυτήν την αρχή της περιστροφής, όπου μπορεί κανείς να δοκιμάσει τον νόμο της αδράνειας στον εαυτό του. Πρόκειται για ένα είδος  ταψιού – σβούρας με στρογγυλό πάτωμα πάνω στο οποίο οι άνθρωποι είτε στέκονται, είτε κάθονται, είτε ξαπλώνουν. Ένας κινητήρας θέτει σε κίνηση το δάπεδο, αυξάνοντας την ταχύτητά του μέχρι η αδράνεια να κάνει όλους όσους βρίσκονται πάνω του να γλιστρήσουν προς την άκρη του. Στην αρχή αυτό είναι σχεδόν απαρατήρητο, αλλά όσο απομακρύνεται κανείς από το κέντρο, τόσο πιο αισθητά αυξάνεται τόσο η ταχύτητά του, συνεπώς και η αδράνεια. Προσπαθεί κανείς σκληρά να κρατηθεί, αλλά μάταια.. τελικά  εκτοξεύεται!

Η ίδια η Γη είναι, στην πραγματικότητα, μια τεράστια δίνη. Αν και δεν μας εκτοξεύει, μειώνει το βάρος μας. Στον ισημερινό, όπου η περιστροφή είναι ταχύτερη, κάποιος μπορεί να έχει «απώλεια» το 1/300ο του βάρους του με αυτόν τον τρόπο. Αυτό, σε συνδυασμό με έναν άλλο παράγοντα, την ελειψοειδή πλάτυνση της Γης, μειώνει το βάρος στον ισημερινό κατά περίπου 0,5% ή 1/200ο. Κατά συνέπεια, ένας ενήλικας θα ζυγίζει 300 γραμμάρια λιγότερο στον ισημερινό από ότι σε οποιονδήποτε από τους πόλους.

ΣΤΡΟΒΙΛΙΖΟΜΕΝΑ ΜΕΛΑΝΙΑ

Φτιάξτε μια σβούρα, όπως φαίνεται σε φυσικό μέγεθος στο σχήμα, από λευκό χαρτόνι και ένα σπίρτο ακονισμένο στη μία άκρη. Δεν χρειάζεται ιδιαίτερη δεξιοτεχνία για να κατασκευαστεί – είναι κάτι που μπορεί να κάνει κάθε παιδί. Αλλά αν και είναι παιδικό παιχνίδι, μπορεί να είναι πολύ διδακτικό. Κάντε τα εξής. Ρίξτε μερικές σταγόνες μελάνι πάνω του και αφήστε το να περιστρέφεται πριν στεγνώσει το μελάνι. Όταν σταματήσει, κοιτάξτε να δείτε τι έχει συμβεί στις σταγόνες μελάνης. Θα έχουν σχεδιάσει σπείρες – έναν μικροσκοπικό ανεμοστρόβιλο.

Παρεμπιπτόντως, αυτή η ομοιότητα δεν είναι τυχαία. Οι σπείρες στον οδοντικό δίσκο απεικονίζουν την κίνηση των σταγόνων μελανιού, οι οποίες υφίστανται ακριβώς αυτό που βιώνουμε και στο περιστρεφόμενο δάπεδο. Καθώς η σταγόνα απομακρύνεται από το κέντρο λόγω φυγοκεντρικών δυνάμεων, φτάνει σε ένα σημείο του δίσκου με μεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής από την ταχύτητα της ίδιας της σταγόνας. Εδώ ο δίσκος περιστρέφεται πιο γρήγορα από τη σταγόνα, η οποία φαίνεται να  υστερεί, κατά κάποιο τρόπο, πίσω από τις «ακτίνες» του τροχού – να γλιστράει μακριά. Γι’ αυτό οι σταγόνες καμπυλώνουν και βλέπουμε το ίχνος καμπυλόγραμμης κίνησης.

Το ίδιο ισχύει και για τα ρεύματα αέρα που αποκλίνουν από ένα κέντρο υψηλής ατμοσφαιρικής πίεσης (σε «αντικυκλώνες») ή συγκλίνουν σε ένα κέντρο χαμηλής ατμοσφαιρικής πίεσης (σε «κυκλώνες»). Οι σπείρες μελανιού απεικονίζουν αυτούς τους καταπληκτικούς ανεμοστρόβιλους σε μικρογραφία.

ΦΥΤΟ ΠΟΥ ΞΕΓΕΛΑΣΤΗΚΕ

Η φυγόκεντρος δύναμη που παράγεται από την γρήγορη περιστροφή μπορεί να υπερισχύσει ακόμη και της βαρύτητας, ένα σημείο που απέδειξε ο Βρετανός βοτανολόγος Knight πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια. Είναι κοινή γνώση ότι ένα νεαρό φυτό κατευθύνει πάντα το στέλεχος του αντίθετα από τη βαρύτητα ή, με απλά λόγια, αναπτύσσεται προς τα πάνω.

Ο Knight, ωστόσο, προκάλεσε τη βλάστηση των σπόρων προς τα μέσα, από το εξωτερικό χείλος ενός τροχού που περιστρέφεται γρήγορα. Οι ρίζες, από την άλλη πλευρά, κατευθύνονταν προς τα έξω (σχήμα). Κατάφερε να ξεγελάσει το φυτό, σαν να ήταν, αντικαθιστώντας τη βαρύτητα με τη φυγόκεντρο δύναμη. Η τεχνητή βαρύτητα αποδείχθηκε πιο ισχυρή από τη φυσική έλξη της γης. Η σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας δεν παρουσιάζει καμία αντίρρηση, κατ’ αρχήν, σε αυτή την εξήγηση.

Πώς μπορούμε να μάθουμε αν ένα αυγό είναι βρασμένο ή όχι, χωρίς να σπάσουμε το κέλυφος; Η μηχανική μας δίνει την απάντηση. Όλο το κόλπο είναι ότι ένα βραστό αυγό περιστρέφεται διαφορετικά από ένα ωμό. Πάρτε το αυγό, τοποθετήστε το σε μια επίπεδη επιφάνεια και στριφογυρίστε το (εικόνα κάτω). Ένα μαγειρεμένο αυγό, ειδικά ένα σφιχτά βραστό, θα περιστραφεί πολύ πιο γρήγορα και περισσότερο από ένα ωμό. Μάλιστα, είναι δύσκολο ακόμη και να περιστραφεί το ωμό αυγό. Ένα σκληρά βρασμένο αυγό περιστρέφεται τόσο γρήγορα που παίρνει τη θολή μορφή ενός λεπτού λευκού ελλειψοειδούς. Αν το κουνήσουμε αρκετά απότομα, μπορεί ακόμη και να σηκωθεί για να σταθεί στο στενό του άκρο.

Η εξήγηση έγκειται στο γεγονός ότι ενώ ένα σφιχτό βραστό αυγό περιστρέφεται ως ένα ενιαίο σύνολο, ένα ωμό αυγό δεν το κάνει. Το υγρό περιεχόμενο του τελευταίου δεν έχει την κίνηση περιστροφής που του προσδίδεται αμέσως και έτσι λειτουργεί ως φρένο, επιβραδύνοντας με τη δύναμη της αδράνειας την περιστροφή του στερεού κελύφους. Στη συνέχεια, τα βραστά και τα ωμά αυγά σταματούν να περιστρέφονται διαφορετικά. Όταν αγγίζετε ένα στροβιλιζόμενο βραστό αυγό με το δάχτυλό σας, αυτό σταματά αμέσως. Αλλά ένα ωμό αυγό θα συνεχίσει να περιστρέφεται για λίγο αφού απομακρύνετε το δάχτυλό σας. Και πάλι, η δύναμη της αδράνειας είναι υπεύθυνη. Το υγρό περιεχόμενο του ωμού αυγού συνεχίζει να κινείται αφού το στερεό κέλυφος τεθεί σε κατάσταση ηρεμίας. Εν τω μεταξύ, το περιεχόμενο του βραστού αυγού σταματά να περιστρέφεται μαζί με το εξωτερικό κέλυφος.

Ακολουθεί μια άλλη δοκιμή, παρόμοιας φύσης. Τυλίξτε λαστιχάκια γύρω από ένα ωμό και ένα βραστό αυγό, κατά μήκος του “μεσημβρινού” τους, και κρεμάστε τα με δύο ίδια κομμάτια σπάγκου (άνω εικόνα). Κρεμάστε τα σε σπάγκους, και κατόπιν περιστρέψτε τα, κάνοντας τον ίδιο αριθμό στροφών, και μετά αφήστε τα ελεύθερα. Θα εντοπίσετε αμέσως τη διαφορά μεταξύ των δύο αυγών. Η αδράνεια κάνει το βραστό αυγό να ξεπεράσει την αρχική του θέση και να δώσει στο σπάγκο μερικές ακόμη στροφές προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στη συνέχεια, το σπάγκο ξετυλίγεται ξανά με το αυγό να κάνει ξανά αρκετές στροφές. Αυτό συνεχίζεται για κάποιο χρονικό διάστημα, ο αριθμός των στροφών μειώνεται σταδιακά μέχρι να σταματήσει το αυγό. Το ωμό αυγό, από την άλλη πλευρά, σχεδόν δεν ξεπερνά την αρχική του θέση. Θα κάνει μόνο μία ή δύο στροφές και θα σταματήσει πολύ πριν το βραστό αυγό. Όπως ήδη γνωρίζουμε, αυτό οφείλεται στο υγρό περιεχόμενό του που εμποδίζει την κίνησή του.

Για πολύ καιρό, αυτό το ευφυές όπλο, η πιο τέλεια τεχνική συσκευή που εφηύρε ποτέ ο πρωτόγονος άνθρωπος, έκανε τους επιστήμονες να εκπλήσσονται. Πράγματι, η παράξενη, μπερδεμένη τροχιά που διαγράφει το μπούμερανγκ (εικόνα) μπορεί να κεντρίσει το ενδιαφέρον οποιουδήποτε μυαλού. Σήμερα έχουμε μια περίπλοκη θεωρία για να εξηγήσουμε το μπούμερανγκ. Δεν είναι πλέον θαύμα. Αυτή η θεωρία είναι πολύ περίπλοκη για να εξηγηθεί εκτενώς.

Επιτρέψτε απλώς να σημειώσουμε ότι το μπούμερανγκ είναι το συνδυασμένο αποτέλεσμα τριών παραγόντων: πρώτον, της αρχικής ρίψης, δεύτερον, της ίδιας της περιστροφής του μπούμερανγκ και, τρίτον, της ατμοσφαιρικής αντίστασης.

Ο Αυστραλός ιθαγενής γνωρίζει ενστικτωδώς πώς να συνδυάζει και τα τρία, αλλάζοντας επιδέξια την κλίση και την κατεύθυνση του μπούμερανγκ και το πετάει με μεγαλύτερη ή μικρότερη δύναμη για να επιτύχει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Μπορείτε κι εσείς να αποκτήσετε κάποια δεξιότητα στη ρίψη μπούμερανγκ. Για να φτιάξετε ένα ομοίωμα boomerang για εσωτερικούς χώρους, κόψτε το από χαρτόνι, στη μορφή που φαίνεται στο κάτω σχήμα αριστερά.Κάθε βραχίονας έχει μήκος περίπου 5 cm και πλάτος λίγο λιγότερο από ένα εκατοστό. Πιέστε το κάτω από το νύχι του αντίχειρά σας και κουνήστε το προς τα εμπρός και λίγο προς τα πάνω. Θα πετάξει περίπου πέντε μέτρα, θα κάνει μια κυκλική κίνηση και θα επιστρέψει στα πόδια σας, αρκεί να μην χτυπήσει πουθενά στην πορεία. Μπορείτε να φτιάξετε ένα ακόμα καλύτερο μπούμερανγκ αντιγράφοντας αυτό που δίνεται στο κάτω σχήμα δεξιά, αλλά και στρίβοντάς το ώστε να μοιάζει κάπως με προπέλα (όπως φαίνεται στο κάτω μέρος του σχήματος.

Μετά από κάποια εμπειρία, θα πρέπει να είστε σε θέση να το «κάνετε να περιγράφει περίπλοκες καμπύλες και βρόχους πριν επιστρέψει στα πόδια σας. Συμπερασματικά, να σημειώσουμε ότι το μπούμερανγκ δεν είναι καθόλου αποκλειστικά ένας αυστραλιανό εφεύρημα όπως συνήθως πιστεύεται. Χρησιμοποιούνταν στην Ινδία και, σύμφωνα με τις σωζόμενες τοιχογραφίες, κάποτε χρησιμοποιούνταν ευρέως από τους Ασσύριους.

Στην εικόνα αριστερά φαίνεται αρχαίος Αιγύπτιος πολεμιστής που πετάει ένα boomerang. Ήταν επίσης γνωστό στην αρχαία Αίγυπτο και τη Νουβία. Το μόνο διακριτικό χαρακτηριστικό του αυστραλιανού μπούμερανγκ είναι η περιστροφή που μοιάζει με προπέλα, η οποία το στέλνει σε έναν λαβύρινθο από στροβιλισμούς και βρόχους, επιστρέφοντάς το σ’ αυτόν που το εκτόξευσε (ρίπτη), όταν αυτό αστοχήσει.