Η μεγάλη παρανόηση στο ηλεκτρικό ρεύμα

To βίντεο του YouTube με τίτλο "The Big Misconception About Electricity" από το κανάλι Veritasium παρουσιάζουν μια ευρέως διαδεδομένη παρανόηση για το πώς μεταδίδεται η ηλεκτρική ενέργεια. H παρανόηση είναι ότι τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν την ενέργεια από τον σταθμό παραγωγής ενέργειας στο σπίτι μας. Ωστόσο, στην εναλλασσόμενη τάση (AC) που χρησιμοποιείται στο ηλεκτρικό δίκτυο, τα ηλεκτρόνια απλώς κινούνται μπρος-πίσω (ταλαντώνονται) μέσα στα καλώδια και δεν διανύουν στην πραγματικότητα μεγάλες αποστάσεις, αφού η κίνησή τους είναι εξαιρετικά αργή.

Η σωστή εξήγηση, όπως αναπτύχθηκε από τους James Clerk Maxwell και John Henry Poynting τον 19ο αιώνα, είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που περιβάλλουν τους αγωγούς Εξηγείται ότι, αντίθετα με τη δημοφιλή πεποίθηση ότι τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν την ενέργεια μέσω των καλωδίων, η ενέργεια μεταδίδεται στην πραγματικότητα από τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που περιβάλλουν τα καλώδια.

Όταν άρχισαν να τοποθετούνται τα πρώτα υποθαλάσσια τηλεγραφικά καλώδια, όπως το πρώτο υπερατλαντικό καλώδιο το 1858, αυτά δεν λειτουργούσαν σωστά. Παρατηρήθηκαν τεράστιες παραμορφώσεις (distortions) όταν προσπαθούσαν να στείλουν σήματα με την ταχύτητα μετάδοσης που ήταν εξαιρετικά χαμηλή, μόλις μερικές λέξεις ανά λεπτό

Υπήρξε μια επιστημονική συζήτηση για την αιτία αυτής της αποτυχίας. Κάποιοι, όπως ο William Thomson (ο μελλοντικός Λόρδος Kelvin), πίστευαν ότι τα ηλεκτρικά σήματα κινούνταν μέσα στα υποβρύχια καλώδια όπως το νερό ρέει μέσα σε έναν ελαστικό σωλήνα (ένα μοντέλο που βασιζόταν στο ρεύμα μέσα στον αγωγό). Άλλοι, όπως οι Heaviside και Fitzgerald, υποστήριζαν ότι τα πεδία γύρω από τα καλώδια μετέφεραν την ενέργεια και την πληροφορία. Τελικά, αποδείχθηκε σωστή η άποψη ότι τα πεδία είναι αυτά που μεταφέρουν την ενέργεια.

Αυτός είναι ένας από τους λόγους που σήμερα οι περισσότερες γραμμές μεταφοράς ενέργειας είναι αναρτημένες ψηλά στον αέρα, ώστε να υπάρχει ένα μεγάλο μονωτικό κενό αέρα που να μην παρεμβαίνει στα πεδία. Ακόμη και η υγρή γη δρα ως αγωγός, επομένως χρειάζεται ένα κενό για να διαχωριστούν τα καλώδια από το έδαφος.

 

Γιατί βουίζουν τα αυτιά μας;

Ένα ερώτημα που θέτουν οι μαθητές στη Β΄ Γυμνασίου όταν κάνουμε το μάθημα της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι για ποιο λόγο τα αυτιά "βουλώνουν" στα μεγάλα υψόμετρα ή στο αεροπλάνο. Η απάντηση σχετίζεται με τη λειτουργία της ευσταχιανής σάλπιγγας η οποία αποτελεί μέρος του αυτιού. Πρόκειται για ένα σωλήνα που έχει δύο στόμια, από τα οποία το ένα συγκοινωνεί με το φάρυγγα και το δεύτερο με το μέσο αυτί (δηλ. το χώρο πίσω από την τυμπανική μεμβράνη -  φωτό).

Κανονικά η ευσταχιανή σάλπιγγα είναι κλειστή και δεν επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ αυτιού και φάρυγγα, όμως μπορεί να ανοίξει για να περάσει μικρή ποσότητα αέρα και να εξισωθεί η πίεση μεταξύ του μέσου αυτιού και του περιβάλλοντος. Όταν αυτό συμβαίνει, ακούει κανείς ένα "ποπ" (όπως συμβαίνει για παράδειγμα όταν κάποιος βρίσκεται σε ένα αυτοκίνητο που μετακινείται από μεγάλο υψόμετρο σε μικρό ή αντίστροφα). Το χασμουρητό ή η κατάποση συστέλλουν τους μύες του λαιμού και προκαλούν το άνοιγμα της σάλπιγγας. Χωρίς την ευσταχιανή σάλπιγγα, ο αέρας δεν θα μπορούσε να περάσει στο μέσο αυτί, το οποίο θα απομονωνόταν από την ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα τη διαφορά πίεσης και την εύκολη καταστροφή του τυμπάνου.

Πηγή: Wikipedia , www.l-medical.gr.

Μέση ταχύτητα και Τροχαία

Το παρακάτω πρόβλημα αποτελεί μια εφαρμογή της έννοιας της μέσης ταχύτητας που μαθαίνουμε στη Β΄ γυμνασίου και του αντίστοιχου θεωρήματος της μέσης τιμής που θα διδαχθεί στο Λύκειο. Ουσιαστικά δεν μπορούμε να ξεγελάσουμε την κρίση του τροχονόμου και καλό είναι να μην επιμείνουμε.

Γιατί το αλουμινόχαρτο δεν καίγεται και δεν μας καίει;

Ο τίτλος αποτελεί ερώτηση μαθητή κατά τη διάρκεια ενός φετινού διαλείμματος.

Στη μαγειρική χρησιμοποιούμε φύλλο αλουμινίου για να σκεπάσουμε το φαγητό επειδή το αλουμίνιο είναι καλός αγωγός θερμότητας και βοηθά στη διατήρηση της θερμοκρασίας του φαγητού ενώ την ίδια στιγμή εγκλωβίζει την υγρασία του φαγητού εμποδίζοντάς το να καεί . Αν και το αλουμίνιο μπορεί να θερμανθεί γρήγορα, το φύλλο αλουμινίου είναι λεπτό και δεν διατηρεί τη θερμότητα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι δεν μπορεί να κάψει το χέρι  μας αφού και η επιφάνεια επαφής στο σημείο που το ακουμπάμε έχει μικρό μέγεθος.

Επιπλέον, το φύλλο αλουμινίου είναι εύκαμπτο και εύκολο στη χρήση, καθιστώντας το ιδανικό για την κάλυψη των φαγητών. Τέλος το ίδιο το φύλλο αλουμινίου είναι δύσκολο να καεί αφού απαιτείται θερμοκρασία 1200 βαθμού Κελσίου η οποία δεν επιτυγχάνεται σε ένα φούρνο μαγειρικής.

Γιατί "νιώθουμε" άβολα όταν ακούμε την ηχογραφημένη φωνή μας;

Κατά τη διάρκεια του μαθήματος για τον ήχο, οι μαθητές διατύπωσαν την ερώτηση του τίτλου. Πράγματι, όταν ακούμε την ηχογραφημένη φωνή μας, αισθανόμαστε διαφορετικά, άβολα. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να απαντήσουν στο  ερώτημα και κατέληξαν στα εξής δύο συμπεράσματα:

α. Η φωνή μας μεταφέρεται από το λάρυγγα (όπου βρίσκονται οι φωνητικές χορδές) στο αυτί μας εσωτερικά μέσω των οστών και είναι "πλούσια" σε χαμηλές συχνότητες, οι οποίες όμως λείπουν στον ηχογραφημένο ήχο που φτάνει στο αυτί μας μέσω του αέρα. Ουσιαστικά προκύπτει διαφορετικό φάσμα συχνοτήτων στις δύο περιπτώσεις. 

β. Μέσω της φωνής ο άνθρωπος μεταφέρει και τα συναισθήματα από τα οποία διακατέχεται όταν μιλάει. Στην περίπτωση που ακούει την ηχογραφημένη φωνή του, συνειδητοποιεί αυτά τα  συναισθήματα γεγονός που τον κάνει να νιώθει άβολα.

Πηγή: Guardian

Περιοδικότητα της καρδιάς

Με αφορμή ερώτηση στη διάρκεια του μαθήματος θα αναφέρουμε μερικά στοιχεία για τον τρόπο λειτουργίας της καρδιάς. Στην εικόνα που ακολουθεί έχει απομονωθεί το μέρος ενός καρδιογραφήματος (ECG). Ας αναγνωρίσουμε μερικά από τα χαρακτηριστικά του.

• Το κύμα Ρ  διαρκεί περίπου 1/10 του δευτερολέπτου (0.1s). Από το μέγεθος του εξάγονται συμπεράσματα (π.χ. υπερτροφία δεξιού κόλπου).
• To τμήμα PR το οποίο διαρκεί από το ξεκίνημα του κύματος P μέχρι την έναρξη του τμήματος QRS. Η διάρκεια του οδηγεί στη διάγνωση υπερκαλιαιμίας ή υποκαλιαιμίας.
• Το τμήμα QRS αντιστοιχεί στη λειτουργία των κοιλιών και διαρκεί περίπου 0.1s. Αύξηση της διάρκειας του τμήματος υπονοεί κάποια δυσλειτουργία. Το τμήμα αυτό έχει την εντονότερη απεικόνιση αφού ο αντίστοιχος μυς είναι ο μεγαλύτερος.
• Το τμήμα ST αντιστοιχεί στη σύσπαση των κοιλιών. Ανισορροπία στους ηλεκτρολύτες του οργανισμού επηρεάζει το τμήμα αυτό.
• Το κύμα Τ το οποίο αντιστοιχεί σε χαλάρωση των κοιλιών και στην επαναφορά τους μετά τη σύσπαση.

Τα προηγούμενα υπονοούν ότι στη λειτουργία της καρδιάς ενυπάρχει ένας σοβαρός βαθμός περιοδικότητας και θα μπορούσαμε να το κατατάξουμε στα περιοδικά φαινόμενα.

Πηγή: www.nurselk.com

Πως ο άνθρωπος εντοπίζει την τοποθεσία προέλευσης του ήχου;

Με αφορμή ερώτηση μαθητή κατά τη διάρκεια του μαθήματος της Φυσικής θα προσπαθήσω να δώσω μια απάντηση στο παραπάνω ερώτημα. 

Στην εικόνα φαίνονται πέντε πηγές ήχου με τον άνθρωπο στο κέντρο τους. Πως θα εντοπίσει από ποια πηγή προέρχεται ο ήχος; 

Στον ανθρώπινο εγκέφαλο βρίσκεται μια περιοχή η οποία περιέχει τους νευρώνες τους υπεύθυνους για τον εντοπισμό του ήχου και διατεταγμένους σε ένα επίπεδο. Φανταστείτε κάτι σαν το γείσο ενός καπέλου. Αξιοποιώντας τη χρονική διαφορά άφιξης των ηχητικών κυμάτων στην περιοχή προσδιορίζει σε ποια ακριβώς θέση βρίσκεται η ηχητική πηγή. Παρατηρώντας την παρακάτω εικόνα ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πως επιτυγχάνεται αυτό.

Ας θεωρήσουμε ότι ο ήχος εκπέμπεται από την αριστερή γαλάζια ηχητική πηγή. Τότε θα εισέλθει πρώτα στο αριστερό αυτί και κατόπιν από το δεξί αυτί. Έτσι διανύοντας τις περιοχές του χάρτη θα συναντηθεί σε σημείο δεξιότερα της κεντρικής περιοχής, ενώ το αντίθετο θα συμβεί εφόσον ο ήχος εκπέμπεται από την αριστερή ηχητική πηγή. Σε περίπτωση που ο ήχος προέλθει από την μπροστινή μωβ ηχητική πηγή, η οποία ισαπέχει από τα δύο αυτιά θα συναντηθούν οι δύο ήχοι στο κέντρο. Αφού λοιπόν διεγερθούν οι αντίστοιχες περιοχές ο εγκέφαλος ανάλογα με την περιοχή καταγραφής  θα ερμηνεύσει που πρέπει να στρέψει το κεφάλι. 

Πηγή: Illinois Science Council