Svet fizike - Page 2 of 26 - Sajt za popularizaciju fizike, filozofije i svega ostalog po malo
Svet fizike

MOĆ NANOČESTICA

by on Sep.27, 2015, under iz ugla Prof. dr Branislava Čabrića

Ima puno prostora dole

 

 

Još je 1959. godine fizičar Ričard Fajnman u jednom istorijskom predavanju pomenuo i sledeće: „There is plenty of room at the bottom“ (Ima puno prostora dole) https://www.youtube.com/watch?v=4eRCygdW–c, zamišljajući već tada kako će celu enciklopediju „Britanika“ ugravirati na površini veličine iglene glave. Ipak trebalo je da prođe 26 godina pa da jedan inženjer (Tom Njuman) ostvari Fajnmanov izazov, tj. da sve informacije sadržane na stranici jedne knjige budu prenete na površinu koja je 625 miliona puta manja.

U prirodi se gotovo sve dešava na nanoskali – to jest na 100 nanometara i niže, gde je nanometar miloniti deo milimetra. Do 80-ih godina 20. veka, kada je konstruisan skenirajući tunel mikroskop (STM), ovaj minijaturni svet bio je nevidljiv. Sada imamo mikroskope koji mogu da prate najsitnije detalje u unutrašnjosti naših ćelija. To je podstaklo naučnike na svim poljima, od medicine do nauke o materijalima, da rade na mnogo manjim skalama.

Čestice, međutim, počinju da se veoma čudno ponašaju na nanoskali. Sasvim obični materijali, poput metala u prahu i brašna, počinju da eksplodiraju. Kod tako malih čestica događaju se čudni subatomski efekti, menjajući električno ponašanje i reaktivnost materijala. Upravo to nepredvidljivo ponašanje nametnulo je pitanje o bezbednosti upotrebe nanočestica. Uprkos tome, postoje mnogobrojni problemi za koje je nanotehnologija možda jedino rešenje – na primer, u praćenju potrebe za sve snažnijim kompjuterima ili u slanju lekova do obolelih ćelija u ljudskom organizmu.

Moć nanotehnologije dugo nam je nadohvat ruke, ali toga nismo bili svesni. Još 20-ih godina 20. veka automobilske gume presvlačene su materijalom zvanim gasna čađ da bi se smanjilo njihovo habanje; niko nije uvideo da su upotrebljene čestice ugljenika zapravo nano veličine. Vekovima su se nanočestice zlata upotrebljavale za proizvodnju crvenog i plavog stakla – što je još jedna osobina nanočestica: da se ne javljaju uvek u istoj boji kao njihovi veći pandani. Nanočestice zlata, poznate i kao koloidno zlato, upotrebljavaju se u razne svrhe, od bojenja stakla do lečenja artritisa. Naučnici takođe veruju da bi se mogle upotrebiti i za otkrivanje ćelija raka.

Od kada je Tom Njuman 1986. godine rešio Fejnmanov izazov, tj. da sve informacije na  stranici jedne knjige budu prenete na površinu koja je 625 miliona puta manja, nanotehnologija je prerasla u zasebnu nauku. Godine 1985. otkriven je bakminsterfulerin, oblik ugljenika, tzv. bakiloptice poznate po svojim šupljim, okruglim strukturama. One se javlja u čađi sveće, ali se dans komercijalno proizvodi na drugi način. Bakiloptice su sačinjene od 60 atoma ugljenika i imaju izvanredne osobine. Na primer, teško ih je razdvojiti čak i na visokoj temperaturi, a teško ih je i komprimovati. Bakiloptice su do sada malo primenjivane, ali je njihovo otkriće dovelo naučnike do povezanog, i jednako intrigantnog molekula – ugljenične nanocevi, koja je najverovatnije jedan od najpoznatnijih i najkorisnijih proizvoda nanotehnološke revolucije.

Modeli molekula ugljenične nanocevi otkrivaju strukturu sličnu kalemu bodljikave žice. Stoga je neverovatno utvrditi da su ove sićušne cevi 100 puta su jače od čelika. One su istovremeno vrlo lagane i mogu biti provodnici ili poluprovodnici, što su privlačne osobine za elektronske inženjere koji rade na konstruisanju jeftinih solarnih ploča i ekrana osetljivih na dodir. Lakoća i čvrstina ugljeničnih nanocevi su odlike koje ih čine pogodnim za izradu sportskih rekvizita: skija, dasaka za surfovanje, teniskih reketa, štapova za golf i hokej, obuće za atletičare, bicikle …….

U biologiji se sićušni fluoroscentni kristali zvani kvantne tačke već koriste za praćenje kretanja ćelija i molekula do najsitnijih detalja. Godine 2005. naučnici su pokazali da se neki kristali mogu zalepiti za viruse koji izazivaju respiratorne infekcije kod dece, što je dalo nadu da će se razviti novi dijagnostički testovi. Kristali su prepoznavali i lepili se za strukture u spoljnom sloju virusa. Kvantne tačke takođe bi mogle izvršiti revoluciju u kompjuterskoj industriji zato što se upotrebljavaju za povećanje prostora za čuvanje podataka i za brže preuzimanje podataka.

Uprkos osnivanju novih katedri na univerzitetima širom sveta, potencijal nanotehnologije je i dalje neiskorišten. Prisutna je i zabrinutost zbog njene bezbednosti. Nanočestice se već koriste za boje otporne na prljavštinu, losione za sunčanje i za sportsku opremu, ali je teško ostvariti stalnu komercijalnu proizvodnju nanočestica.

Medicinska dostignuća podstakla su pojavu niza novih medicinskih aparata, uključujći nanomagnete. Oni se uspešno ubacuju u krvne ćelije miševa da bi pružile detaljne slike krvnih sudova pomoću magnetne rezonance (MRI).

Nanomašine, uključujući motore napravljene od DNK (genetskog materijala) i kompjutera na nanoskalama koji obavljaju jednostavne kalkulacije, mogle bi predstavljati osnov za sofisticiranije mašine na nano-skalama. Inženjeri sada rade na nanorobotima na sopstveni pogon, koji će jednog dana možda obavljati manje složene operacije bez hirurga.

 

ONE SU VEĆ MEĐU NAMA

 

Nanotehnologija se koristi u gotovo svakoj industriji. Potrošačka roba: odeća i razne tkanine, hrana, aparati za domaćinstvo, optika, sportska odeća i oprema, kozmetika. Građevina: boje, površinski slojevi i zaštita. Proizvodnja: vazduhoplovstvo, proizvodnja vozila, štampa i pakovanje, rafinerije. Medicina i zdravstvo: davanje lekova, dijagnostika, inženjering tkiva, nega kože. Hemija i zaštita životne sredine: filtracija, kataliza (ubrzavanje hemijskih reakcija), hemijski senzori, kvalitet vode. Elektronika: čuvanje memorije, računarstvo. Enegrija: goriva, solarne ćelije, baterije.

 

U BUDUĆNOSTI

 

U budućnosti bi nanotehnologija mogla proizvesti supersnažne implantate, izuzetno brze kompjuterske čipove i veštačke „kože“ osetljive na dodir za humanoidne robote. Nanosprave koje cirkulišu u krvotoku mogle bi pratiti ljudsko zdravlje iz unutrašnjosti tela. Superjaki a laki materijali mogli bi dovesti do revolucije u građevinarstvu, dok neki drugi nude ekonomičan i efikasan način čuvanja i upotrebe energije.

 

SENDVIČ FRIŽIDER

 

Naučnici su uspeli da naprave najmanji frižider na svetu – i prilično moćan (slika 6). Iako je veličine običnog mikročipa, u stanju je da ohladi neki predmet na temperaturu od neverovatnih –272,8ºC! Američki Nacionalni institut za standarde i tehnologiju, tvorac ovog noviteta dimenzija 25 × 15 mikrona je napravio „sendvič“ od normalnog metala, jednog izolatora i jednog superprovodljivog metala. Kada se struja propusti kroz sendvič, elektroni sa običnog metala tuneliraju kroz izolator ka superprovodniku. Tada temperatura u normalnom metalu dramatično opada, te crpi dodatnu toplotnu energiju iz predmeta koji zapravo treba ohladiti.

51


Slika 1.
Ilustracija skenirajuće tunel mikroskopa (STM).

http://www.personal.psu.edu/ewh10/ResearchBackground.htm

52

 

Slika 2. Ilustracija manipulacije atomima (bottom-up pristup) pomoću atomskog mikroskopa  (AFM),  AFM tip na slici  – „Olovkom“ građen novi svet !!!).

http://phys.org/news164996346.htm

 

53

 


Slika 3.
Ugljenična nanocev. Prečnika 1,3 nm, ova nanocev vidljiva je jedino pod skenirajućim tunl mikroskopom.

http://sh.wikipedia.org/wiki/Ugljeni%C4%8Dna_nanocev

 54

Slika 4. Godine 2005. bicikle s okvirima od ugljeničnih nanocevi vozili su biciklisti na Tur de Fransu. Osim što biciklu daju čvrstinu i krutost, nanocevi ih čine i krajnje laganim. Svaki ram bicikla težak je manje od 1 kg.

http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_carbon_nanotubes

 

55

 

Slika 5. Imaginarni nanorobot ili nanobot „servisira“ “ crvena krvna zrnca.

http://www.wifinotes.com/nanotechnology/what-is-nanorobotics.html

 56

Slika 6. Najmanji frižider na svetu.

http://www.b92.net/zivot/nauka.php?nav_id=184540

 

Literatura

  1. Hart-Dejvis, A., gl. i odg. urednik, NAUKA: sveobuhvatni vizuelni vodič, Mladinska knjiga, Beograd, 2011., str. 392.
  2. NANO, Prospekt izložbe Centra za naučnu, tehničku i industrijsku kulturu u Grenoblu, postavljene u Francuskom kulturnom centru u Beogradu od 02. do 20. septembra 2008. godine.

Cabric

 

 

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

Prirodno-matematički fakultet u Kragujevcu

 

branko.cabric@gmail.com

 

 

Share
Leave a Comment more...

Koriolisova sila svuda oko nas

by on Sep.21, 2015, under iz ugla Prof. dr Branislava Čabrića

Kompas u ruke

 

 

Nije redak slučaj da se ideje realizuju daleko posle vremena kada su ponikle. Setimo se samo Leonarda. Jedan od manje izrazitih takvih slučajeva jeste teorija Koriolisa, za koju je bio potreban jedan vek da bi se shvatio njen sveobuhvatni značaj.

Kada se sa zemaljskog pola, gde je kružna brzina Zemljine rotacije ravna nuli, predmet kreće prema ekvatoru, kontinualno nailazi na oblasti sve veće kružne brzine. Na ekvatoru je ova brzina maksimalna i, izražena tangencijalno, iznosi fantastičnih 1664 km/č (što se doduše ne oseća, ali je realnost). Prilikom ovog kretanja iz stanja manje u stanje veće kružne brzine (ili obrnuto) predmet se “zanosi”, ili stručno rečeno, na njega deluje inercijalna sila upravno na pravac kretanja. (U slučajevima kretanja pravo na istok ili zapad, efekata neće biti jer tom prilikom nema promene kružne brzine.) U sledećim će biti izložene posledice ove pojave, koje su šire no što bi se na prvi pogled zaključilo.

Još pre više od jednog i po veka (1835) ovu je pojavu matematički formulisao francuski inženjer i mateamtičar Koriolis (Gustave-Gaspard Coriolis, 1792 – 1843) u svom delu Sur les        Véquations du mouvement des systèmes de corps (O jednačinama relativnog kretanja sistema tela). Tako u nauci nastaje pojam Koriolisova sila. Ovaj termin se u literaturi javlja tek od 1923. godine, što bi značilo da mu pre toga nije pridavan naročit značaj. Ipak su Francuzi Koriolisa dovoljno cenili da ga 1836. godine izaberu za člana Akademije nauka zbog drugih dostignuća u teorijskoj mehanici i termodinamici (Uveo je još 1829. godine pojam rada i kinetičke energije u današnjem smislu. Takođe je dao doprinos primenjenoj mehanici.). Bio je profesor slavne Politehničke škole (École polytechnique) u Parizu, a od 1838. njen direktor.

 

 

Vinča kao svedok

Horizontalna komponenta Koriolisove sile, Cf, primenjena na zemaljsku kuglu, srazmerna je sinusu geografske širine Ii brzini tela koje se kreće, v. Relacija je data kao Cf = v (2w sin q), gde je w konstanta i predstavlja ugaonu brzinu zemljine rotacije, tj. 7,29 · 10-5 rad/s. Ona ima negativan predznak na južnoj polulopti. Kako sledi iz ove jednačine, u ekvatorijalnim oblastima efekat će biti mali i raste kako idemo prema severu ili jugu (sin 00 = 0, sin 900 = 1). Jedno od najočiglednijih posledica Koriolisovih sila jesu obale reka koje teku prema jugu ili prema severu. Nama je vrlo dobro poznat Dunav koji od granice teče pretežno prema jugu sve do Beograda. U svom toku on stalno, milenijumima, biva “zanošen” ka zapadu, tako da su mu danas desne obale strme a leve ravne (i najčešće plavne ako nema nasipa). Posle svake velike vode, reka odnese po malo desne obale. Nekada je Dunav tekao znatno istočnije.

Obratno je sa Savom i Drinom kada teku prema severu. Ovde se reke pomeraju prema istoku. Sava od Obrenovca do Beograda roni svoju desnu obalu i stvara probleme saobraćajnicama i građevinama. Isto je sa Drinom gde se Semberija širi na račun Mačve. Pored imovinskih, stvara i međudržavne granične probleme. Sem oziđivanja, ovde spasa nema.

Pravilo koje se lako pamti: u bilo kojem smeru se tok (ili predmet) kretao skretaće manje ili više udesno na severnoj polulopti i ulevo na južnoj. Ovo je i statistički pokazano na neobičnom primeru jednosmernih železničkih koloseka u Evropi. Češće je trebalo menjati desne šine jer su vozovi na njih stalno vršili veći pritisak.

Duboki utisak je na pisca ovih redova ostavilo praistorijsko nalazište kod današnjeg sela Vinča. Naselje je očigledno bilo na vrhu brega. Dunav je danas prišao ovom bregu i dobar deo odneo. Sa obale se danas diže vrlo strm obronak, dvadesetak metara visok, na kojem se lepo vide pojedini arheološki slojevi (delimično kao delo arheologa). Na prvi pogled, ovo ne bi trebalo da bude uzrokovano Koriolisovim silama, jer od Beograda Dunav teče na istok (kada Koriolisove sile ne deluju). Ipak, pogled na geografsku kartu kazuje da Dunav između Pančeva i Grocke pravi oštar zaokret prema jugu, pa je ovde ipak ova sila u punom zamahu. U ostalom, pitanje je da li bi epohalno otkriće vinčanske kulture ugledalo dana bez podrivanja Dunava.

 

 

Od Jupitera do pega na Suncu

Na Savi, između sela Jarak i Šapca, postoji takođe krivina u kojoj reka dvadesetak kilometara teče prema jugu. U blizini je praistorijsko nalazište Gomolava. Ipak, staro naselje se očigledno nalazilo na rečnoj adi. Danas Sava teče više od 1 km zapadnije, ali je ništa ne sprečava da plavi svoju levu, ravnu obalu, na užas arheologa kojima odnosi iskope. Da desna strana Save ovde nije obezbeđena nasipima, reka bi ovde “odšetala” još više na zapad.

Jedna od tužnih posledica Koriolisovih sila pokazala se u toku Drugog svetskog rata. Nemci su na početku silovito osvojili dobar deo teritorije Rusije i Ukrajine. Ovde teku značajne reke, Don, Donjec, Dnjepar, Bug, Dnjestar i mnoge druge, sa severa na jug. U drugoj fazi rata, Crvena armija je imala muka da povrati teritorije, jer su zapadne obale ovih reka uglavnom bile strme i Nemcima pogodne za odbranu. I kod nas je mnogo boraca, novembra 1944. godine, poginulo prilikom forsiranja Dunava kod Batine u Baranji, iz istih razloga. (Prema istorijskim podacima bilo je 271 mrtvih i 850 ranjenih. Sovjetski gubici se ne pominju, iako su po svoj prilici bili veći.).

Koriolisove sile su od izvanrednog značaja i kod cirkulacije atmosfere. Kada Zemlja ne bi imala rotacije, cirkulacija vazduha bila bi jednostavna: hladan vazduh iz polarnih predela tekao bi, kao gušći, prema ekvatoru; zagrejan vazduh bi se u gornjim slojevima vraćao ka polovima. U rotirajućem sistemu, Koriolisove sile značajno usložnjavaju ovaj tok. Hladan vazduh, tekući na jug, trpi skretanje na zapad, dok je kod toka toplog vazduha skretanje na istok. Stvaraju se vrlo složeni vrtlozi – cikloni i anticikloni. Na severnoj polulopti cikloni crkulišu suprotno smeru kazaljke na satu a anticikloni obrnuto. (Na južnoj hemisferi smer cirkulacije je suprotan.) I ovi vrtlozi se kreću i dalje su podložni Koriolisovim silama. Otuda je i stalna i periodična promena smera vetrova na datim tačkama zemaljske lopte, kao i sve druge meteorološke promene koje sleduju.

Sve se ovo verno reprodukuje u atmosferama velikih gasnih planeta, Jupitera i Saturna, a nasigurno i drugih. Ovde spadaju i intezivna vrtložna kretanja poznata na Zemlji kao harikeni, tajfuni, tornada, pijavice i dr. Meteorolozi, verovatno, pominju Koriolisa u negativnom kontekstu kad pogreše u prognozama. Analogna pojava se događa i u cirkulaciji okeana, tj. kod morskih struja. Čak su i pege na Suncu podložne istim zakonitostima.

 

 

Pitanje za artiljeriju

Artiljerija i raketna tehnika moraju voditi računa o Koriolisovom efektu. Ako se projektil ispali na jug (na severnoj polulopti), na primer, završiće u zapadnijoj tački od proračunate. Mnogo je jednostavnije pucati na istok ili zapad, gde Koriolisove sile ne utiče. (ovo su naši političarai očigledno intuitivno znali već decenijama.)

U elektrodinamici, kod rotirajućih električnih mašina, postoji posebna kompenzujuća komponenta napona, poznata kao Hristofelov napon (Chistoffel), koji nastaje zbog Koriolisovog efekta.

Koriolisove sile su aktivne i na molekulskom nivou. Pošto gasoviti molekuli normalno rotiraju, vibracije molekula su takođe izložene ovim silama. Vibracije više nisu prosta kretanja u ravni, već to čine po elipsama raznih ekscentričnosti. To dovodi do cepanja energetskih nivoa molekula i usložnjavanja molekulskih spektara, pa se mogu javiti i “zabranjene” trake, retko doduše baš iz ovih razloga.

 

Meandri i centrifugalne sile

Kad smo već kod reka i njihovih obala, jedna pojava koja je samo delimično u vezi s Koriolisovim silama jeste pojava meandra na ravničarskim rekama. Naziv potiče od izuzetno vijugave reke Meandros u Maloj Aziji, kako se zvala još u antici (danas se na turskom zove Menderes). Kod nas su meandri karakteristični za Dunav, Savu, Tisu, donje tokove Drine i Morave itd.

Zanimljivo je da geografska nauka danas nema jedinstven i konačan stav o načinu nastanka meandra. Jedan od mogućih uzroka je centrifugalna sila. Kada reka ulazi u krivinu, ma koliko blaga bila, centrifugalna sila će maticu reke potiskivati ka spoljašnosti luka. Stalna erozija, koja je time podstaknuta, produbljivaće krivinu. Koriolisova sila ovde može da potpomogne. Ova pojava ima i ekonomskih posledica: plovidba zbog meandra može biti značajno produžena, što je kod nas slučaj na Savi.

Da stvari nisu tako jednostavno objašnjive, dokaz su meandri koji su zapaženi kod morskih struje i u brzim vazdušnim strujama u visokoj atmosferi (jet stream). Postoje teorije zasnovane na talasnim pojavama i principu najmanjeg otpora proticanju koje, ipak, ne daju kvantitativne odgovore. U svakom slučaju, teorije su složene i teško razumljive.

Posle velikih voda, reka ponekad “preseče” krivine (a ponekad se to i namerno čini), ostavljajući bivše tokove, u obliku polukrugova, koje nazivamo mrtvaje, što je čest slučaj. Ovo vole ptice, kao na primer u Obedskoj bari. Mrtvaje vremenom bivaju zasute i pretvaraju se u ritove. Konačno je to suvo tlo koje se od okoline razlikuje samo različitim rastinjem, ako već ne bude obrađeno.

Ako je nekome oburvana vikendica na obali Dunava, “kriv” je Koriolis. Pouka: ako nameravate da gradite kuću na obali reke, uzmite kompas i setite se njegovih sila.

 

Napomena o projektilu

Postoje gledišta da Koriolisova sila u stvari ne postoji, pa se naziva pseudosila. Da bismo ovo ilustrovali, razmotrimo gore pomenuti primer hica upravljenog na jug. Za posmatrača van Zemlje, putanja projektila će biti neskrenuta. Za vreme putovanja projektila Zemlja učini određenu rotaciju sa zapada na istok, pa on pada zapadnije od mesta ispaljivanja. Nikakva sila na njega nije delovala! Pitanje je da li bi se čovek kome je reka zbog zanošenja odnela zemlju i kuću saglasio da je to bila samo “pseudosila”. U stvari, kako god gledali, efekti će biti isti.

 sl1

 

Slika 1. Vinča kao svedok.

http://www.politika.rs/rubrike/Beograd/Vinca-tajna-ispod-sedam-i-po-milenijuma.sr.html

 sl2

 

Slik 2. Snimak islandskog ciklona od 4. septembra 2003. godine. Vazdušna masa u tom području se kreće od periferije prema unutrašnjosti, u smeru koji je suprotan smeru kretanja kazaljke na satu, pod dejstvom Koriolisove sile i sile koja potiče od gradijenta pritiska.

http://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_effect

 

 sl3

 

Slika 3. Šematski prikaz ciklona  koji bi nastali delovanjem samo Koriolisovoe sile/efekta, proračunati za brzine vetra od 180 do 250 km/h. Cikloni se retko formiraju duž ekvatora zbog slabog Koriolisov efekat u ovom regionu.

http://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_effect

 

Literatura

  1. Ribnikar, S., Koriolisove sile svuda oko nas, Flogiston (Beograd), br. 6 (1997), str. 141.
  2. Čabrić, B., Sila koja pomiče rijeke, Priroda (Zagreb), br. 2 (2014), str. 42.
  3. Čabrić, B., Foucaultovo nihalo – izdelava in delovanje, Fizika v šoli (Ljubljana), št. 1-2 (2007), str. 64.

Cabric

 

 

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

Prirodno-matematički fakultet u Kragujevcu

branko.cabric@gmail.com

 

 

 

 

Share
Leave a Comment more...

KLIMATSKE PROMENE – GLOBALNO ZAGREVANJE

by on Sep.20, 2015, under iz ugla Prof. dr Branislava Čabrića

Posledice ljudskih aktivnosti

 

rep-klima_620x0

 

 

Međuvladini panel za klimatske promene beleži da su devedesete godine 20. veka predstavljale najtopliju deceniju u poslednjih 1.000 godina, i da je to posledica ljudskih aktivnosti. Temperature globalnog zagrevanja porasle su sa 0,4 na 0,8 oC od 1860. godine, uglavnom zahvaljujući oslobađanju ugljen-dioksida prilikom sagorevanja goriva. Za period 1990-2100. predviđa se da će globalna srednja temperatura porasti 1,5 do 5,8 oC, što je više od ranijih procena. Nivo mora će porasti za gotovo jedan metar, i pretvoriće priobalne krajeve u močvare. Povećanje nivoa azotoksida dovešće do stvaranja toksičnog ozonskog gasa, tzv. “smoga”.

 

Pre industrijske revolucije (otprilike pre 1800) dolazilo je do velikih regionalnih i globalnih klimatskih promena: značajna je pojava niza ledenih doba. Poslednje ledeno doba završilo se pre oko 20.000 godina, a sada živimo u interglacijalnom periodu. Do ovih promena pre 1800. dolazilo je usled promena u Sunčevom zračenju, ili vulkanske prašine i gasova, i one nisu imale ništa s čovekovom delatnošću. Međutim, od sredine 19. veka čovekova aktivnost ima sve veću ulogu. Stoleće pre no što su naučnici počeli njome da se bave, nastala je ideja o “efektu staklene bašte”. Furije (Žan Batist) Žozef, baron [Fourier, (Jean Baptiste) Joseph, Baron, 1768-1830)] je 1827. uvideo da se Zemljina atmosfera ponaša donekle poput staklene bašte kada raste temperatura, a Tindal, Džon [Tyndall, John, 1820-1893] je oko 1860. pokazao da su pri tome važni vodena para i ugljen-dioksid (CO2). Oblaci odbijaju deo Sunčevog zračenja pre no što ono stigne do Zemlje, ali sunčeva energija koja do nje stiže zagreva je, u proseku skoro 300 W m-2. Zemlja sa svoje strane ponovo zrači energiju, ali uglavnom na dužim talasnim dužinama u infracrvenoj oblasti; vodena para i CO2 (0,03 % atmosfere) snažno apsorbuje ovo zračenje, tako da atmosfera apsorbuje zračenje i veći njegov deo ponovo šalje na Zemlju. Ukupan rezultat je taj da atmosfera deluje poput stakla na stakleniku. Glavni sastojci vazduha, azot i kiseonik, ne apsorbuju infracrvene talase. Arenijus, Svante (August) [Arrhenius, Svante (August), 1859-1927]  je 1896. proračunao da bi udvostručavanje CO2 u atmosferi povećalo prosečnu globalnu temperaturu između 5 o i 6 oC, što je rezultat blizak vrednostima do kojih se danas došlo na osnovu sofisticiranih izračunavanja. G. S. Kalendar [Guy Stewart Callendar 1898 – 1964] je 1940. proračunao zagrevanje nastalo manjim porastom koncentracije CO2, do kojeg dolazi, prema njegovoj proceni, sagorevanjem fosilnih goriva (uglja i nafte). Nijedan od ovih proračuna nije u to doba izazvao veću pažnju.

  1. Revel [Roger Randall Dougan Revelle, 1909-1991] i H. E. Sues [Hans Eduard Suess (1909 – 1993] sa Skripsovog okeanografskog instituta u Kaliforniji su 1957. primetili da povećanje količine CO2 koje čovek ispušta u atmosferu predstavlja globalni klimatski eksperiment, čiji tok i ishod treba proučavati. Merenje nivoa CO2 u atmosferi počelo je te godine na Mauna Kea na Havajima, a sledila su i druga proučavanja.

Vodena para i CO2 su glavni prirodni gasovi u staklenoj bašti. Prvu čovek ne može da kontroliše, kao ni neke emisije CO2 (npr. iz vulkana). Ali veliki deo emisije CO2 je danas čovekovo delo, i rezultat je sagorevanja goriva. Naravno CO2 apsorbuju zelene biljke pri fotosintezi; taj proces ugrožen je čovekovim uništavanjem šuma, posebno u tropima; CO2 takođe apsorbuju okeani. Istorijski, atmosferski CO2 je posle 1800. stalno rastao kao što je pokazano na grafikonu (slika 1).

123

Slika 1.  Porast količine ugljen-dioksida u atmosferi posle 1700. prema merenjima CO2 u ledu sa Antarktika (kvadrati) i, od 1957. prema direktnim merenjima s Mauna Kea opservatorije na Havajima (trouglovi).

 

Drugi važan gas staklene bašte je metan, CH4, “barski gas”. Kao što samo ime kaže, on nastaje delovanjem bakterija na vlažnu organsku materiju u jezerima i tresetištima, a sve više i na đubrištima koja stvara čovek. On se takođe oslobađa u industriji uglja i nafte, a stvaraju ga i termiti i goveda enteričnom fermentacijom. I sam moćan gas staklene bašte, on na kraju oksidacijom u atmosferi prelazi u CO2.

Od oko 1980. Zemlja kao celina je videla mnoge neuobičajeno tople godine i veoma mnogo ekstremnih klimatskih pojava – suša, poplava i oluja. Slika 2 prikazuje temperature od 1860. do 2000, a kad se izuzmu prirodne varijacije u sunčevoj energiji koja stiže do Zemljine površine, ovaj trend je u gruboj korelaciji s porastom CO2. Na osnovu sofistikovanih proučavanja, Međuvladini panel za klimatske promene [Intergovernmental panel on Climate Change (IPCC)] je 2000. zaključio kako čovekov uticaj na atmosferu, “povišeni efekat staklene bašte”, predstavlja dominantan uzrok ovog globalnog zagrevanja.

Međuvladini panel za klimatske promene zaključuje da će prema sadašnjim trendovima globalna prosečna temperatura porasti za oko 5 oC za period 1990-2100. Izvesni i verovatni efekti ovog porasta će biti dramatični, ali ih je teško predvideti u pojedinostima. Pozitivna i negativna sprega i interakcije mnogih primarnih efekata čine opštu klimatsku promenu složenim slučajem za predviđanje.

124

Slika 2. Promene u globalnoj prosečnoj temperaturi Zemljine površine (kombinovane prosečne temperature vazduha iznad tla i iznad morske površine) od 1860. do 2000, u odnosu na period 1961-90. Crna linija prikazuje izravnanje godišnjih vrednosti da bi se odstranila kolebanja u periodima kraćim od decenije.

 

Na primer, Evropa će generalno postati toplija do 2100, ali položaj Velike Britanije je manje izvestan; promene okeanskih struja mogu da promene tok Golfske struje (koja britansku klimu čini blažom nego što njena geografska širina implicira), što u velikoj meri utiče na predviđanje. Međutim, neki glavni efekti se jasno mogu predvideti. Poljoprivredne tehnike će morati da se promene u velikim oblastima; promeniće se obrasci bolesti, kao i dostupnost pitke vode.

Dramatičan i predvidljiv efekat biće uticaj na nivo mora. On će porasti delom usled prostog širenja vode s porastom temperature; ali i zbog topljenja glečera i ledenog pokrivača na planinama, i polarnog leda, posebno na Antarktičkom kontinentu. Predviđa se da će nivo mora porasti između 60 cm i 1 m do 2100. Širom sveta, pola čovečanstva živi u primorskim oblastima. Neka ostrva će biti potopljena, kao i veći deo Bangladeša, delte Nila u Egiptu, i velikih oblasti u SAD i Kini. Holandija ima barem prednost iskustva, i trebalo bi da bude u stanju da unapredi postojeću tehnologiju i iskoristi iskustvo koje drugi nemaju, u oblastima u kojima će do prenaseljenosti doći zbog nesposobnosti da se spreči gubitak zemljišta.

Pokušaji da se ovi veliki globalni problemi ublaže uključuju pozive širom sveta da se smanji emisija CO2, ili bar (i više realistički) da se smanji njena stopa rasta. Korišćenje fosilnih goriva (uglja i gasa) za zagrevanje domaćinstava, upotreba energije u industriji i transportu su jasni ciljevi redukcije: industrijalizovana severna hemisfera emituje najveći deo CO2, ali će razvoj industrije u Rusiji, Kini i Indiji pogoršati problem. Efikasnije korišćenje i bolja izolacija mogu samo neznatno da smanje emisiju CO2. Isto tako, i upotreba obnovljive “čiste” (tj. slobodne od CO2) električne struje iz hidrocentrala, geotermalne, zatim proizvedene snagom plime, vetra i talasa samo u neznatnoj meri može da ublaži stanje, uprkos entuzijazmu onih koji podržavaju njihovo korišćenje. Suštinskija pomoć može doći od šire upotrebe snage nuklearne fisije (kao u Francuskoj), ali poverenje javnosti u nuklearnu bezbednost narušeno je černobilskom katastrofom a Velika Britanija i Nemačka ne izgledaju voljne da slede ovaj put. Nuklearna fuzija, izvor moći Sunca, tek treba da se dokaže kao praktičan zemaljski izvor energije. Ako je moguće dalje usavršavanje fotoelektričnih ćelija koje sunčevu energiju pretvaraju u električnu struju, to bi bio stvarni napredak: ovakva energija može, na primer, da se upotrebi ne samo za zadovoljavanje potreba domaćinstva i industrije, već i za sve oblike transporta.

Odvraćanje od velike zavisnosti od fosilnih goriva bi umanjilo uticaj Organizacije zemalja izvoznica nafte [Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC)] na svetsku ekonomiju, i odložilo ne tako dalek trenutak kad će zalihe fosilnog goriva biti iscrpljene.

 

Referenca

  1. Dejvid, Jan, Džon i Margaret Milar, Kembrički rečnik – Naučnici, Dereta, Beograd, 2003, str. 408-411.

Cabric

 

 

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

Prorodno-matematički fakultet u Kragujevcu

 

branko.cabric@gmail.com

 

 

Share
Leave a Comment more...

Fraktali

by on Sep.18, 2015, under iz ugla Prof. dr Branislava Čabrića

 

7.-Fraktali-Mandelbrot-Set-

 

 

U početku matematički kuriozitet, fraktali i fraktalna geometrija sve više pružaju uvide u prirodne fenomene, kao što je rasprostiranje zemljotresa, a našli su primenu u mnogobrojnim područjima ljudske aktivnosti, kao što su polimeri, obezbeđenje nuklearnih reaktora, i u ekonomiji, biologiji, medicini, grafičkom dizajnu, u umetnosti…

Benoa Mandelbrot (Benoit Mandelbrot, 1924-2010), poljsko-francuski matematičar  školovao se na Politehničkoj školi u Parizu, pre odlaska u SAD, gde je dobio mesto istraživača u Istraživačkom centru IBM-a, “Tomas J. Votson”. Njegov ujak Šolem, bio je osnivač inovativne francuske grupe matematičara koja je radila pod kolektivnim imenom Nikolas Burbaki.

Mandelbortova karijera primenjenog matematičara obuhvata nastavu ekonomije na Harvardu, inženjerstva na Jejlu i fiziologije na Ajnštajnovom koledžu za medicinu. Radio je na matematičkoj lingvistici, teoriji igara i ekonomiji, pre nego što je pozvan da istražuje problem šumova u telefonskim žicama koje se koriste za kompjuterske komunikacije. Otkrio je da se, nasuprot njegovoj ituiciji da će šum u ritmu biti slučajan, on dešavao u rafalima i da je, kada je ove rafale proučavao na sve kraćim vremenskim skalama, rasprostiranje ovih šumnih špiceva uvek ostajalo umanjena verzija celine. Uspeo je da postavi model ovog rasprostiranja šuma kao tzv. Kantorove prašine, koja je imala svojstvo da, mada beskonačno razređena, sadrži beskonačno mnogo špiceva.

Proučavajući mogućnosti pravljenja skala za takve vremenske nizove, napisao je poznati tekst “Koliko je dugačka obala Britanije?”, u kome je pokazao da odgovor zavisi od skale na kojoj je merite. Što je finija skala, uključuje se veći broj pojedinosti, pa se linija obale čini dužom. Što je još čudnije, kako merna skala postaje manja, odgovor ne teži fiksiranoj vrednosti, kao što bi se očekivalo, već beskonačnosti.

Mandelbrot je dalje pokazao da je inherentno svojstvo prirode da sadrži grubosti na svim skalama i da bi ovo opisao matematički, izumeo je geometriju sa fraktalnim dimenzijama, umesto uobičajenih integrala 1, 2, 3, 4… Dobro poznati primer je Kohova snežna pahuljica, kriva beskonačne dužine i fraktalne dimenzije 1,2618. Da bi opisao takve objekte, skovao reč fraktal, jer ispravan opis takvih objekata zahteva fraktalne dimenzije: snežne pahuljice i listovi paprati su poznati primeri fraktala iz prirode.

U početku matematički kuriozitet, fraktali i fraktalna geometrija sve više pružaju uvide u prirodne fenomene, kao što je rasprostiranje zemljotresa, a našli su primenu u mnogobrojnim područjima ljudske aktivnosti, kao što su polimeri, obezbeđenje nuklearnih reaktora, i u ekonomiji.

Još je antički astronom i matematičar Apolonije uvideo da unutar jedne kružnice možemo upisati beskonačno mnogo manjih kružnica koje se dodiruju i time uveo fraktale u matematiku. Fraktalna struktura pominje se u 17. veku u Lajbnicovim radovima, u 19. i početkom 20. veka razni matematičari se bave crtanjem i proučavanjem fraktalnih oblika. U geometrijske fraktale spadaju i trougao Sjerpinskog, tepih Sjerpinskog, Pitagorino drvo i Mengerov sunđer. Razvojem kompjutera ova umetnička oblast matematike mogla je da dođe do izražaja.

Benoa Mandelbrot se smatra ocem fraktala, koji im je 1975. i podario ime – fractus znači razlomljen, slomljen, polomljen. Fraktali se koriste u seizmologiji, biologiji, u medicini… I mobilni telefoni imaju antenu u obliku fraktala, koriste se u grafičkom dizajnu, u umetnosti… U kompjuterskoj grafici se koriste za generisanje slika koje predstavljaju prirodne objekte: oblake, sneg, morske obale, planinske vence… Ima ih u video igricama, na hipi majicama, maskirnim uniformama. Svako ko želi može da crta ove matematičke smicalice uz pomoć programa Fraktal Explorer.

 

Referenca

[1] Dejvid, Jan, Džon i Margaret Milar, Kembrički rečnik – Naučnici, Dereta, Beograd 2003., str. 350.

Cabric

 

 

 

 

Prof. dr Branislav Čabrić

Prirodno-matematički fakultet u Kragujevcu

E- mail: branko.cabric@gmail.com

 

Share
Leave a Comment more...

Looking for something?

Use the form below to search the site:

Still not finding what you're looking for? Drop a comment on a post or contact us so we can take care of it!

preporučite nas

Share