Crookesův světelný mlýnek

rubrika: Populárně naučný koutek


Crookesův radiometr, známý také jako světelný mlýnek, vypadá jako žárovka na podstavci. Uvnitř baňky, z níž byl téměř odčerpaný vzduch, je na jehlovém ložisku s velmi nízkým třením mlýnek (vrtulka) se čtyřmi lopatkami, které jsou na jedné straně lesklé (někdy bílé), a z druhé strany matně černé. Pokud je vystaven Slunci, nebo nějakému jinému světelnému zdroji, mlýnek se roztočí směrem k lesklé straně.

Lucifer


crookes_radiometer.gifUž od roku 1873, kdy sir William Crookes tuto věc vynalezl, se lidé snaží zjistit, co vrtulky roztáčí. Sir Crookes byl přesvědčený, že tlak světla, které nějakým způsobem doléhá víc na černý povrch než na lesklý. Tato teorie byla původně podporována Jamesem Clerkem Maxwellem, který tlak světla předpověděl. Crookes byl sice velmi chytrý muž, ale s tlakem světla se mýlil. Odstartoval tak vědecké bádání, které se nezastavilo ni dodnes. I v dnešních encyklopediích najdete populární, ovšem špatné vysvětlení toho, jak Crookesův radiometr funguje.

Také na internetu můžete najít nejrůznější informace, z nichž některé se dokonce tváří jako dílo "matfyzáka", jež zarputile trvají na světelném tlaku. A i když jsou upozorněni, že ten mlýnek funguje jinak, svou hypotézu neopouští, jen ji odsunou na vedlejší kolej. Nejlepší vysvětlení fungování radiometru není úplně snadné přijmout a někteří vědci, včetně autora níže uvedeného hlavního zdroje, o něm stále pochybují. Nejdříve ale zbavíme falešného pozlátka některá očividně špatná vysvětlení, která obíhají stejně neúnavně jako lopatky radiometru v pekle.

Tlak záření

Světlo, jak všichni vědí, je elektromagnetické záření, které, jak jistě také víte, nebo si to pomocí googlu můžete rychle najít, je proudem drobných balíčků energie zvaných fotony. Fotony se chovají jako malé střely, a pokud do něčeho narazí, může to vyvolat reakci. Například fotony mohou vykopnout elektrony z mnoha pevných látek. Říká se tomu fotoelektrický jev a Albert Einstein za jeho objev dostal Nobelovu cenu.

Člověk by si tedy mohl myslet, že lopatky radiometru roztáčí proud fotonových kulek, který na ně dopadá. Tlak záření skutečně existuje, ale víme, že je příliš slabý na to, aby mohl roztočit lopatky. Navíc tlak záření by radiometr roztočil opačně. Černé povrchy světlo pohlcují a světle lesklé povrchy ho odrážejí. Černá strana lopatek prostě fotony polyká, zatímco lesklá strana je plive okamžitě zpátky. Tím dochází ke zpětnému rázu, stejně jako když puška vystřelí náboj. Lopatky by se proto otáčely směrem k černé straně a od lesklé strany - přesně naopak než vidíme ve skutečnosti

Tlak plynu

Tohle se zdá být nejoblíbenějším ze špatných vysvětlení. Uvádí ho Encyklopedia Britannica a další práce, používá ho i mnoho učitelů fyziky. Je to údajně tak, že černá strana lopatek pohlcuje víc světelné energie než lesklá strana, takže je o něco teplejší. (Zatím je to správně.) Vzduch na tmavé straně - v baňce je malé množství vzduchu - je díky této energii teplejší (stále správně) a tím se zvyšuje tlak na černou stranu lopatek (špatně!), které se potom otáčejí ve směru lesklé strany.

Položme si ale následující otázku: Pokud je vzduch zahřátý, což by urychlilo pohyb molekul, proč by se rychleji se pohybující molekuly vrhaly proti lopatkám než kterýmkoli jiným směrem? Pohyb molekul neurčuje žádná směrovaná síla. Jinými slovy, tlak vzduchu se nemůže zvýšit (v jednom místě), protože není nijak omezený. Může se rozpínat v baňce kamkoli chce, takže není důvod, proč by se měl soustředit na lopatky víc než jinam. Sílu pohybující lopatkami nemůže způsobit ohřátý vzduch.

Tajemný plyn

Některé konspirační teorie se nás snaží přimět uvěřit, že černá strana lopatek obsahuje na povrchu vrstvu plynu, jehož molekuly se ve chvíli, kdy se černé strany lopatek zahřejí a po absorbování světla rozepnou; trochu jako popcorn na pánvi. Vylétávající molekuly tak působí silou na černý povrch, stejně jako basketbalista působí silou na palubovku, když vyskočí, a tato síla roztáčí lopatky. Pokud by tomu ale tak bylo, jakmile by se plyny uvolnily, radiometr by se vyčerpal.

Fotoelektrický jev

Co když fotony světla vystřelují z černé strany lopatek elektrony a ty dávají lopatkám zpětný ráz? Na tuhle teorii se taky nedá vsadit. Jednak proto, že lopatky radiometru můžete vyrobit i z materiálu, který nepodléhá fotoelektrickému jevu a jehož elektrony jsou natolik pevně vázané, že viditelné světlo je nedokáže uvolnit. Fotoelektrický efekt by se projevil, kdyby v baňce bylo naprosté vakuum, ale radiometr bez trochy vzduchu v baňce nefunguje.

Proudění vzduchu

Zahřátý černý povrch způsobuje proudění vzduchu a pohybující se vzduch roztočí lopatky. Jediná potíž je, že zatím nikdo nevymyslel proudy vzduchu, které by foukaly výhradně jedním směrem, tedy proti černé straně lopatek.

Nejlepší řešení

Správné řešení tohoto problému kvalitativně poskytl Osborne Reynolds. Počátkem roku 1879 poslal do Royal Society článek, ve kterém uvažoval o tom, co nazval "termální transpirace", a také diskutoval teorii radiometru. Pod pojmem "termální transpirace" měl Reynolds na mysli proud plynu přes porézní desky v důsledku rozdílu teplot na obou stranách desek. Má-li plyn zpočátku na obou stranách desek stejný tlak, proudí ze studenější na teplejší stranu desek, což by v případě, že se desky nemohou pohnout, vedlo ke zvýšení tlaku na teplejší straně. Mezi molekulami a stěnami úzkých pórů zároveň působí termomolekulární (tangenciální) síla.

Lopatky radiometru však nejsou porézní. K vysvětlení jejich pohybu je proto třeba zaměřit pozornost ne na jejich strany, ale na jejich hrany. Když vzduch proudí kolem hran lopatek, teplejší a rychlejší molekuly zasáhnou hranu pod příhodnějším úhlem než chladnější a to roztočí lopatky směrem k lesklé straně. Jak je to možné, lze pochopit jen s použitím vyšší matematiky. Faktem však je, že za tento efekt jsou zodpovědné stejné termomolekulární síly jako v případě Reynoldsovy termální transpirace. Lopatky tedy pohání jejich tenounké strany, ne široký povrch.

Název "světelný mlýnek", někdy se říká i "sluneční mlýnek", však není zcela správný. Můžeme ho roztočit i ve tmě nebo v šeru, kdy k jedné straně přiložíme ruku, z níž bude proudit infračervené (tepelné) záření. Před lidmi, kteří s tímto efektem nejsou seznámeni, si tak můžete zahrát na senzibila. Mnohem lépe než na denním světle se mlýnek bude točit pod standardní (ne úspornou) žárovkou nebo infralampou.

Hlavní zdroj: Robert L. Wolke, Co Einstein vyprávěl svému holiči


komentářů: 7         



Komentáře (7)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

Lucifer
7
Lucifer * 20.04.2013, 00:58:09
Jin, domnívám se, že ano.

6
Jin (neregistrovaný) 20.04.2013, 00:33:48
Rozumím tomu tak, že kdyby človek udelal na každé lopatce víc hran, tak se celý mlýnek bude otáčet rychleji?

5
Multipass[[openidhttp://cafecremaambienteecafe.blogspot.com/]] (neregistrovaný) 29.10.2011, 23:45:43
odborně řečeno- cool!

Lucifer
4
Lucifer 29.10.2011, 23:34:08
[3] Zatím jsem se tomu nevěnoval, ale na mém prvním linku je, pokud se nemýlím, vysvětlení toho, na co tady upozornil Multipass

http://www.quantumlevitation.com/levitation/The_physics.html

Je to něco jako kombinace magnetické levitace se supravodivostí.

3
Miloš (neregistrovaný) 29.10.2011, 19:48:21
Co je kvantová levitace, netuším, ale po kliknutí na některé odkazy jsou vidět další vedoucí na magnetickou levitaci. Té využívají rychlovlaky v Číně a Japonsku. Mám zkušenost s MAGLEVem v Šanghaji, zvládne 30 km dlouhou trasu z/na letiště asi za 7-8 minut a dosahuje největší rychlost 431 km/hod. Zážitek z jízdy je úchvatný, protože vedle trasy vede dálnice a vlak auta předjíždí, jako kdyby se auto z F1 měřilo s cyklistou. Zajímavé, že trasa není úplně rovná, má zatáčky i znatelná stoupání a klesání. Trochu je to vidět ve videu
http://www.youtube.com/watch?v=0G18UIx68cA


1
Multipass[[openidhttp://cafecremaambienteecafe.blogspot.com/]] (neregistrovaný) 29.10.2011, 03:31:08
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=Ws6AAhTw7RA

«     1     »