Lucrul mecanic

Lucrul mecanic este efectuat de o forţă care acţionează asupra unui corp şi îşi deplasează punctul de aplicaţie pe direcţia şi în sensul ei.

Formula de calcul a lucrului mecanic:

L = F * d

unde F este forţa ce acţionează asupra corpului, iar d este distanţa pe care aceasta îşi deplasează punctul de aplicaţie.

Comentarii -

SimetrieToată lumea ştie ce este simetria, însă în acest articol, Mario Livio de la Institutul Ştiinţific de Cercetare Spaţială Baltimore, SUA, ne demonstrează faptul că nu numai formele, dar şi legile naturii pot fi simetrice. Citiţi mai departe pentru a afla detalii surprinzătoare!

Comentarii -

 

Tensiunea superficială este proprietatea unei suprafeţe lichide care o face să se comporte ca o membrană elastică tensionată. Rezistenţa acesteia depinde de forţele de atracţie dintre particulele lichidului sau de forţele de atracţie dintre acestea şi particulele corpurilor gazoase, solide sau lichide cu care care intră în contact. Datorită tensiunii superficiale este posibil ca anumite insecte să stea pe suprafaţa apei sau ca o lamă de ras să plutească la suprafaţa unui lichid, chiar dacă lama are o densitate mai mare decât lichidul şi nu poate pluti. Tensiunea superficială cauzează apariţia picăturilor sferice de lichid, întrucât lichidul tinde să-şi micşoreze aria.

Comentarii -

Prototipul kilogramuluiSuntem atât de obişnuiţi cu unităţile de măsură, fie că este vorba de măsura timpului, fie că este vorba de măsura distanţei ori a greutăţii, încât probabil că cei mai mulţi nu ne-am pus vreodată întrebarea: cum sunt aceste  unităţi standardizate? Cât înseamnă de fapt o secundă? În raport cu ce dat fundamental este ea stabilită?

Comentarii -

 

LEX PRIMA - PRINCIPIUL INERŢIEI

Un punct material îşi menţine starea de repaus relativ sau de mişcare rectilinie uniformă atâta timp cât asupra sa nu acţionează alte corpuri care să-i schimbe această stare.

Inerţia este proprietatea generală a corpurilor de a-şi menţine starea de repaus sau de mişcare rectilinie şi uniformă în absenţa acţiunilor exterioare respectiv de a se opune la orice schimbare a stării sale de repaus sau de mişcare rectilinie şi uniformă în prezenţa acţiunilor exterioare.

Masa este o mărime fizică scalară ce măsoară inerţia corpurilor.

Sistemul de referinţă inerţial este un sistem de referinţă în care este valabil principiul inerţiei.

Un sistem de referinţă care se mişcă rectiliniu uniform faţă de un sistem de referinţă inerţial este la rândul său un sistem de referinţă inerţial.

Comentarii -

 

Scintilatoarele sunt materiale transparente folosite de cercetători pentru a detecta particule şi unele forme de radiaţii. Când radiaţia loveşte scintilatorul, acest material absoarbe o parte din energia radiaţiei, emiţând în schimb lumină. Chiar şi cea mai mică "scânteiere" poate fi detectată de fotomultiplicatoare ataşate la un scintilator.
 
Scintilator cristal
Cristal folosit ca scintilator (înconjurat de detectoare)
credit: wikipedia.org

Comentarii -

HaosUn fluture bătând din aripi undeva în Europa poate declanşa o tornadă în Texas. Aşa afirmă teoria haosului. Această teorie - în esenţă - indică faptul că mici modificări ale datelor iniţiale ale unui sistem complex poate duce la stări finale al sistemului foarte diferite. Edward Lorenz este cel care pune bazele acestei teorii.

Comentarii -

Lumina Cherenkov - comparatie cu boom-ul sonic

 

Lumina Cherenkov apare atunci când particulele călătoresc mai repede decât lumina. Vă întrebaţi probabil cum poate o particulă depăşi viteza luminii … Ceea ce ştim  în urma formulării teoriei relativităţii speciale de către Einstein – şi nu a fost invalidat – este că viteza luminii în vid este de 300.000 km/s şi că nimic nu poate depăşi această limită. Totuşi, viteza luminii nu este aceeaşi în orice mediu. De exemplu, atunci când trece prin apă ori sticlă, viteza luminii încetineşte cu până la 25 de procente. Prin urmare, este posibil ca particule ce călătoresc prin unele substanţe cu viteze subluminice – raportat la viteza luminii în vid – să fie totuşi mai rapide decât lumina în acel mediu.

Comentarii -

neutralino William Thompson, la sfârşitul secolului al XIX-lea afirma că toate legile Universului au fost descoperite. Dar lucrurile s-au complicat în anii imediat următori, odată cu apariţia ideilor lui Einstein, Planck, Bohr, Schrödinger etc. Neutralino este un exemplu că Universul este mult mai "refractar" în a-şi dezvălui tainele decât s-ar putea crede...

Comentarii -

Gravitatia_in_contextul_teoriei_stingurilorSe ştie despre gravitaţie că este cea mai slabă dintre cele 4 forţe fundamentale. Deşi la scară cosmică gravitaţia produce efecte colosale, la nivel atomic interacţiunile gravitaţionale sunt mult mai slabe decât celelalte. Teoria stringurilor, cea mai populară teorie cuantică a gravitaţiei care există în prezent, oferă o posibilă explicaţie.

Comentarii -

Carbonul - ingredient de bază al materiei organice

Carbonul este un ingredient de bază din compoziţia organismelor vii de pe Terra. Toate formele de viaţă conţin în jur de 25% carbon. Atomul de carbon este unic deoarece se poate combina cu alţi atomi de carbon dând naştere unor lanţuri lungi sau unor structuri circulare de legături carbon-carbon, care, la rândul lor, stau la baza moleculelor organice complexe care fac posibilă viaţa.

Comentarii -

Efectul fotoelectricDouă dintre concepţiile greşite pe care o parte a publicului le are despre marele Albert Einstein sunt că teoria relativităţii i-ar fi adus premiul Nobel pentru fizică şi că el ar fi descoperitorul efectului fotoelectric. Aflaţi pentru ce a fost Einstein laureat al Nobelului şi lămuriţi-vă în privinţa efectului fotoelectric citind în acest articol.

Comentarii -

De când datează primele oglinzi?

Primele menţiuni despre oglinzi confecţionate din bronz şi alămuri apar în biblie şi în scrierile antice ale egiptenilor, grecilor şi romanilor. Cele mai vechi oglinzi din sticlă, acoperite pe o faţă cu un strat metalic strălucitor, au apărut în Italia în timpul secolului XIV. Iniţial, procesul tehnologic folosit la confecţionarea oglinzilor din sticlă consta în aplicarea pe una din suprafeţele sticlei a unui strat de mercur şi staniol şlefuit.

Metoda folosită şi astăzi la confecţionarea oglinzilor a fost descoperită în 1835 de chimistul de origine germană, Justus von Liebig. Procesul imaginat de el consta din turnarea unui amestec de amoniac şi argint pe suprafaţa sticlei. Dacă se adaugă şi formaldehidă  (produs gazos cu miros iritant, solubil în apă, folosit la fabricarea răşinilor sintetice, a coloranţilor, medicamentelor, ca dezinfectant etc) amestecului metalic, rezultă o suprafaţă argintie, strălucitoare, care are proprietatea de a reflecta lumina. În prezent suprafeţele oglinzilor sunt de diferite forme, obţinându-se diverse efecte ale obiectelor reflectate.

Comentarii -

Răspunsul scurt este că nu ne prea dăm seama de adevărata dimensiune a obiectelor privindu-le în oglindă. Puteţi face următorul experiment: încercaţi, printr-o măsurătoare nepretenţioasă, cu ajutorul mâinilor, să vedeţi cât de mare vă este capul, aşa cum apare el în oglindă. O să observaţi că măsurătoarea va arăta că acesta este mai mic decât în realitate. Cu toate acestea, de regulă, puteţi face o evaluare corectă a lucrurilor pe care le priviţi în oglindă. Cum se face că se întâmplă astfel?

 

A woman before a mirror
Eserin Adi. A woman before a mirror

 

Comentarii -

Teoria Relativităţii a lui Albert Einstein constă din două porţiuni majore: teoria relativităţii restrânse (sau relativitatea specială) şi relativitatea generalizată.

Relativitatea restrânsă descrie fenomenele care devin observabile la viteze comparabile cu viteza luminii, în sisteme de referinţă inerţiale (adică sisteme de referinţă care se deplasează unele faţă de altele la viteze constante). Pe de altă parte, relativitatea generală se ocupă de sistemele de referinţă neinerţiale (care au o mişcare accelerată), descriind fenomenele apărute în preajma câmpurilor gravitaţionale foarte puternice (în jurul corpurilor cereşti masive, cum ar fi stelele şi planetele). Această din urmă teorie stabileşte o legătură între gravitaţie şi curbura spaţiului, concept pe care îl vom lămuri ceva mai târziu.

Comentarii -

Dicţionarul explicativ al limbii române ne spune că un cal-putere este o unitate de măsură pentru putere, egală cu 75 de kilogrammetri-forţă pe secundă, folosită pentru a exprima puterea unui motor. Aceasta înseamnă că un cal-putere reprezintă forţa necesară ridicării unui corp de 75 kg la înălţimea de un metru, în timpul de o secundă, şi se traduce cu o valoare de 735,49875 W.

În ingineria electrică, calul-putere se defineşte ca fiind egal cu 736 de waţi.

Noţiunea de cal-putere a fost introdusă de inventatorul scoţian James Watt, astfel că povestea naşterii acestei unităţi de măsură se raportează la sistemul englezesc de unităţi.  Valoarea unui cal-putere a fost stabilită după ce Watt a efectuat o serie de experimente în care aceste animale de tracţiune (caii) tractau diverse cantităţi de cărbune. Iniţial, Watt a stabilit că, în medie, un cal era capabil să tracteze 22000 de livre de cărbune pe o distanţă de  un picior într-un minut.

 

James Watt. Portret
James Watt (1736-1819)
Portret realizat de Carl Frederik von Breda

 

Comentarii -

Constituenţi fundamentali ai Universului, particulele identificate de fizicieni până în prezent ca aparţinând Modelului Standard – electroni, neutrini, quarcuri ş.a.m.d. - reprezintă un veritabil alfabet al materiei. Asemenea literelor – omoloagele lingvistice ale particulelor elementare – aceste elemente fundamentale reprezintă cele mai mici componente ale materiei identificate cu mijloacele pe care le posedă ştiinţa astăzi. Conform celor observate până în prezent, se pare că nu există o substructură sau nişte sub-particule care să intre în componenţa acestor constituenţi fundamentali.

Teoria stringurilor (teoria sforilor, după cum mai este numită) susţine însă contrariul. Potrivit acestei teorii, dacă am avea la dispoziţie o tehnologie care să ne permită să vizualizăm materia la un ordin de magnitudine mult inferior celui observabil cu instrumentele actuale, am constata că aceste particule fundamentale nu sunt punctiforme, aşa cum le descrie ştiinţa astăzi, ci sunt constituite din minuscule bucle unidimensionale. Autorii şi adepţii acestei teorii descriu stringurile (sau corzile, sforile etc.) ca pe nişte filamente minuscule care vibrează sau oscilează într-o singură dimensiune.

Figura de mai jos ilustrează ideea principală a teoriei stringurilor, plecând de la un măr şi pătrunzând la scări succesiv mai mici în structura internă a acestuia şi a constituenţilor săi.

 

Teoria stringurilor
 

Câte dimensiuni are lumea în care trăim? Care sunt acestea?

Fizicienii descriu lumea în care trăim ca având patru dimensiuni. Primele trei dintre acestea descriu spaţiul şi sunt notate în literatura de specialitate, în lucrările de matematică şi fizică, cu x , y şi z. x desemnează întotdeauna lungimea, y-lăţimea şi z-înălţimea.

 

Ne putem imagina viaţa într-o singură dimensiune? Dar într-un univers bidimensional?

O lume unidimensională ar fi asemenea unui fir de aţă, iar vieţuirea într-un asemenea univers ar permite ciudaţilor săi locatari să se deplaseze doar pe direcţia înainte-înapoi. Ne putem imagina în continuare un areal bidimensional, acolo unde locuitorii s-ar putea deplasa asemenea furnicilor pe o foaie de hârtie: înainte, înapoi , stânga, dreapta, sau chiar trecând de pe o faţă pe cealaltă a filei. Dacă adăugăm şi a treia dimensiune, atunci furnicile ar putea părăsi suprafeţele hârtiei pentru a se deplasa pe direcţia sus-jos.

Comentarii -

Am prezentat în acest articol o scurtă explicaţie a legii conservării energiei. Iată în continuare un exemplu concret care ajută la înţelegerea acestei legi fundamentale pentru modul în care interpretăm funcţionarea Universului nostru.

Am ales spre exemplificare transformările pe care le suferă energia pe care o posedă un automobil. Săgeţile roşii indică transferuri de energie.

 

 

Conservarea energiei

 

 

Aşadar, un automobil aflat în repaus posedă ca energie iniţială energia chimică, atât cea a  combustibilului din rezervor, cât şi pe cea a bateriei cu care este dotat autoturismul (aceasta este prezentă sub forma voltajului - diferenţei de potenţial dintre bornele bateriei). Pe parcursul deplasării cu automobilul au loc diverse transformări dintr-o formă de energie în alta. Iată câteva dintre transformările - dintr-o formă de energie în alta - care au loc atunci când dumneavoastră vă conduceţi automobilul:
* bateria maşinii alimentează radiocasetofonul din dotarea autoturismului sau farurile acestuia - energia chimică trece în energie electrică;
* la nivelul radiocasetofonului energia electrică ia forma energiei undelor sonore, aşa cum am explicat în cadrul articolului despre funcţionarea radioului;
* energia electrică se transformă la nivelul farurilor în radiaţie electromagnetică, sub forma luminii. Becurile cu incandescenţă degajă şi căldură - unde electromagnetice din zona radiaţiei infraroşii;
* energia chimică a combustibilului se transformă în energie cinetică pe parcursul deplasării, iar aceasta din urmă creşte odată cu viteza de deplasare;
* în urma arderilor care au loc la nivelul motorului se degajă o cantitate semnificativă de căldură;
* la frânare se produce căldură;
* la urcarea unei coline sau pe o rampă energia cinetică se transformă în energie potenţială etc.

Comentarii -

Până nu demult existau temeri serioase că celebrul turn înclinat din oraşul italian Pisa avea să cadă în cele din urmă, din cauza faptului că fundaţia sa, deşi adâncă de 3 metri, nu fusese turnată pe rocă solidă. Din cauza proastei calităţi a solului, fundaţia a început să se scufunde imediat după începerea construcţiei, în anul 1173, provocând înclinarea spre sud a turnului. Recent, după finalizarea unor lucrări de restaurare care au durat 18 ani s-a spus că înclinarea progresivă şi afundarea turnului au fost stopate, astfel că este posibil ca celebra construcţie să rămână un obiectiv turistic important pentru multă vreme de acum înainte. Rămâne totuşi întrebarea: de ce s-a menţinut în picioare această construcţie pe care mai toate ilustratele o înfăţişează ca fiind pe punctul să cadă?

Suprafaţa de sprijin pe sol joacă un rol extrem de important în menţinerea în poziţie verticală a diverselor obiecte sau construcţii. Pentru noi, oamenii, această suprafaţă de sprijin este dată de felul în care ne poziţionăm picioarele. Cu cât mărim distanţa dintre tălpile noastre, cu atât câştigăm la capitolul stabilitate. În cazul unei biciclete lucrurile stau destul de rău. Suprafaţa de sprijin este dată de ariile suprafeţelor de contact a cauciucurilor cu solul, plus zona dintre cele două suprafeţe de contact. Este o suprafaţă de sprijin mică, de unde şi dificultatea pe care o întâmpinam când, copii fiind, ne jucam şi încercam să ţinem cât mai mult timp în echilibru static bicicletele noastre.

 

 

Dacă un obiect nu are stabilitate, se poate răsturna extrem de uşor. Dar care este regula care îi conferă stabilitate unui obiect aflat în poziţie verticală sau unei construcţii? Ideea este că un obiect se va răsturna atunci când centrul său de masă va ajunge într-un punct care, ducând perpendiculare pe sol, se va afla în afara suprafeţei de sprijin (vezi imaginea de mai jos). Pentru bicicleta pomenită anterior, este nevoie de doar un foarte mic impuls exterior pentru a-i deplasa centrul de masă în afara suprafeţei de sprijin, astfel că sarcina de a ţine o bicicletă aflată în repaus în poziţie verticală este una extrem de dificilă.

 

Turnul din Pisa

 

Centrul de masă al Turnului din Pisa

cade în interiorul suprafeţei de sprijin

(schools.wikia.com)

 

Pentru a creşte stabilitatea unei construcţii este întotdeauna nevoie de o suprafaţă de sprijin cât mai mare, lucru care face aproape imposibilă deplasarea centrului de masă al edificiului în afara suprafeţei de sprijin. De pildă, celebrul Turn Eiffel din Paris a fost proiectat astfel încât baza sa are o suprafaţă mare, iar vârful este de dimensiuni reduse. Dimensiunile parţii inferioare a turnului îi conferă acestuia o suprafaţă de sprijin considerabilă, iar geometria sa pe verticală poziţionează centrul de masă al construcţiei mai aproape de sol, făcând practic imposibilă doborârea construcţiei, chiar în condiţiile în care vânturi extrem de puternice ar deplasa temporar centrul său de masă spre marginile suprafeţei de sprijin. Aceasta este o problemă cu care se confruntă proiectanţii de turnuri radio, construcţiile cel mai des întâlnite în topurile celor mai înalte clădiri din lume. Deşi turnurile radio nu au fundaţii care să le confere suprafeţe de sprijin foarte mari, ele sunt adesea ancorate cu cabluri de susţinere care le cresc stabilitatea.

În cazul Turnului din Pisa, înalt de 56 de metri, explicaţia pentru menţinerea sa în picioare este similară. Deşi vârful său s-a deplasat în timp cu 3,9 metri faţă de locul unde ar fi fost dacă turnul era perfect vertical, proiecţia la sol a centrului de masă al construcţiei s-a menţinut întotdeauna în interiorul suprafeţei de sprijin (vezi figura de mai sus). Turnul a fost închis pentru public pe o perioadă de 12 ani, până spre finalul anului 2001, când lucrările de restaurare au redus cu mai bine de 40 de centimetri înclinarea care atinsese la un moment dat aproape 4,5 metri. Pe atunci înclinarea creştea cu 1,25 milimetri anual, ceea ce ar fi dus în cele din urmă la deplasarea centrului de masă al clădirii în afara suprafeţei de sprijin. Presiunea la care este supusă construcţia creşte când aceasta se înclină, deoarece pereţii şi fundaţia au fost proiectate astfel încât greutatea lor să se distribuie pe verticală şi nu în lateral, cum se întâmplă acum. Există chiar pericolul ca pereţii exteriori să cedeze la un moment dat, iar turnul să se curbeze undeva spre mijlocul său, asta în cazul în care lucrările de restaurare nu vor continua şi ele.

 

Comentarii -

Oricine ştie că o minge de tenis sau una de fotbal urmează de obicei după lovire traiectorii parabolice prin aer, conform legilor mecanicii. De asemenea, cei care au satisfăcut stagiul militar ori sunt militari de profesie s-au familiarizat în mod sigur cu balistica, o ramură a mecanicii teoretice care studiază legile mişcării unui corp greu, unui proiectil sau unui glonţ aruncat sub un anumit unghi faţă de orizontală. Dacă însă imprimăm o mişcare similară prin aer unui ciocan sau unei chei fixe, mişcarea acestor obiecte pare extrem de complicat de descris prin intermediul unor ecuaţii matematice. Cauza mişcării aparent imposibil de descris a ciocanului prin aer este distribuţia neuniformă a masei acestuia.

 

 

Traiectoria unui ciocan prin aer

Traiectoria ciudată a unui ciocan prin aer. Centrul de masă respectă regulile traiectoriei balistice.

 

 

Centrul de masă al unui obiect este definit ca fiind acel punct în care este concentrată toată masa unui sistem, mai bine zis un punct care are proprietatea că relativ la el masa obiectului este distribuită uniform. Ne-am jucat cu toţii în copilărie şi am ţinut în echilibru diverse obiecte precum un ciocan, o mătură sau o bucată de lemn cărora le-am "găsit" centrul de masă fără a şti că facem acest lucru. Acest punct, centrul de masă, descrie din punct de vedere dinamic comportamentul întregului sistem. Dacă în cazul mingilor de tenis masa este distribuită uniform pe toată suprafaţa obiectului, ducând la poziţionarea centrului de masă în centrul mingii, pentru obiecte asemenea ciocanului sau cheilor fixe lucrurile stau cu totul altfel. Masa ciocanului, ca şi a cheii fixe (vezi figura de mai jos) este concentrată în vârful metalic mai greu al acestor obiecte, ceea ce înseamnă ca centrul lor de masă se deplasează în apropierea acelor zone.

 

Cheie fixă rotită pe o suprafaţă orizontală

O cheie fixă antrenată într-o mişcare de rotaţie pe o suprafaţă orizontală.

Centrul de masă se deplasează în linie dreaptă

 

Legile fizicii ne spun că centrul de masă al unui sistem trebuie să urmeze o traiectorie parabolică atunci când imprimăm un impuls sistemului cu un anumit unghi faţă de orizontală, astfel că, deşi o minge de tenis şi un ciocan descriu mişcări complet diferite, centrele lor de masă urmează traiectorii similare. La fel se întâmplă şi în cazul extrem de complicatei tehnici pe care un săritor în înălţime o foloseşte pentru a se ridica deasupra ştachetei folosite în această probă atletică. Centrul de masă al săritorului se deplasează pe o parabolă lină, deşi mişcarea corpului în ansamblu pare şi chiar este extrem de sofisticată.

Săritor în înălţime. Mişcarea centrului de masă

Centrul de masă al săritorului în înălţime descrie o parabolă

 

Comentarii -

 

Pot comunica astronauţii în spaţiul cosmic?

Undele sonore au nevoie de un mediu prin care să se propage, aşa cum a demonstrat Robert Boyle acum aproape 350 de ani. Din această cauză comunicarea verbală în spaţiul extraterestru devine imposibilă, cel puţin în condiţii similare comunicării interumane normale, aşa cum o experimentăm cu toţii pe Terra. Când un cosmonaut vorbeşte corzile sale vocale vibrează, iar respectivele vibraţii sunt transmise aerului din cavitatea bucală şi din interiorul căştii cu care este dotat costumul special al acestuia. Vibraţia se transmite şi căştii în sine, doar că aici este punctul terminus al propagării undei deoarece mai departe nu mai există nimic. Undele sonore nu se pot propaga prin vacuum-ul din spaţiul extraterestru, astfel că sunetele scoase de astronauţi rămân practic "închise" în interiorul propriilor costume atunci când aceştia se află în spaţiul cosmic.

 

 

Cască astronaut

Cască astronaut

Bineînţeles că există o soluţie la problema acestei aparente incapacităţi de a comunica în spaţiul cosmic, şi aceasta este radioul. După cum puteţi citi în acest articol, radioul are la baza funcţionării sale propagarea undelor electromagnetice, care, spre deosebire de cele sonore, călătoresc nestingherite prin spaţiul interstelar. Aşa că astronauţii sunt dotaţi cu aparate radio pentru emisie-recepţie. Microfoanele acestora convertesc sunetele din interiorul căştilor în semnale electrice care sunt ulterior transmise ca unde radio prin spaţiul cosmic către ceilalţi cosmonauţi, colegi de echipaj, ba chiar şi către centrele de control de pe Pământ, atunci când operaţiunile desfăşurate necesită acest lucru. La nivelul receptorului radio din dotarea costumului unui astronaut unda radio redevine vibraţie a aerului din interiorul căştii, punând în mişcare timpanul acestuia şi generând la nivelul cortexul auditiv senzaţia că spusele colegului de echipaj au fost auzite.

 

Am putea auzi o navă spaţială inamică explodând?

Majoritatea filmelor de anticipaţie nu ţin cont de aspectele pomenite anterior, prezentând scene în care putem auzi sunetele generate de torpile fotonice prin spaţiul cosmic în drumul lor spre nava inamică şi arătând chiar cum flote întregi ale băieţilor răi explodează spectaculos în scene de luptă condimentate cu jocuri de lumini şi sunete asurzitoare. În realitate, acestea nu sunt decât trucuri pentru atragerea publicului telespectator sau chiar gafe cauzate de necunoaşterea mecanismelor de propagare a undelor sonore de către specialiştii în generarea computerizată a efectelor speciale.

 

Efecte speciale în serialul Star Trek DS9

 

Comentarii -

 

Moleculele de aer au tendinţa de a se mişca mai uşor prin medii calde şi umede datorită faptului că în aceste condiţii energia lor internă creşte. Cum viteza sunetului depinde de felul în care variază presiunea aerului atunci când moleculele se ciocnesc unele de altele (creând zone de compresie, dar şi zone cu aer mai rarefiat), elasticitatea moleculelor devine un factor important. De aceea, în zilele călduroase şi cu umiditate ridicată, sunetul călătoreşte mai repede decât într-o zi rece şi uscată, atunci când moleculele de aer nu oscilează cu aceeaşi uşurinţă.

Există o formulă cu care putem determina viteza de propagare a sunetului prin aer, ţinând cont şi de temperatura de afară:

Viteza sunetului = 331 m/s + 0,6* (numărul de grade peste 00C).

Deci viteza sunetului creşte cu 0,6 m/s la ridicarea temperaturii cu un grad Celsius, ea având valoarea de 331 m/s la temperatura de îngheţ a apei, 00C.

 

Cine şi cum a demonstrat că auzim doar dacă există un mediu prin care undele sonore se propagă ?

În jurul anului 1660, omul de ştiinţă englez Robert Boyle a dovedit faptul că undele sonore au nevoie de un mediu prin care să se propage pentru a transmite sunetele la distanţă. Altfel spus, în vid sunetele nu se propagă. Boyle a folosit un clopoţel plasat într-o incintă închisă şi etanşă din care aerul putea fi scos treptat. A observat că pe măsură ce aerul părăseşte incinta respectiv, sunetul scos de clopoţel devine din ce în ce mai slab, până la atenuarea totală.

 

 

Viteza sunetului prin diverse medii şi materiale

Newton a avut şi el contribuţia sa la înţelegerea fenomenelor de propagare a sunetului prin diverse medii, demonstrând că viteza sunetului prin anumite materiale depinde de caracteristicile acestora. Mai exact, elasticitatea şi densitatea mediului de propagare determină viteza de propagarea sunetului prin acel mediu. Printre factorii de care depinde viteza de propagare a sunetului prin anumite medii se numără şi densitatea şi temperatura, dar şi starea de agregare a mediului (faptul că avem de-a face cu un gaz, un lichid sau un solid). Iată în continuare un tabel care prezintă viteza sunetului prin diferite medii şi materiale:

 

Mediul
Viteza sunetului (metri/secundă)
aer la 00C
331
aer la 200C
343
aer la 1000C
366
heliu la 00C
965
mercur 1452
apă la 200C
1482
plumb 1960
lemn de stejar
3850
fier 5000
cupru 5010
sticlă 5640
oţel 5960

 

Comentarii -

 

Ce este bariera sunetului?

Bariera sunetului reprezintă viteza pe care un obiect trebuie să o atingă pentru a depăşi viteza sunetului. Viteza sunetului este deseori folosită drept referinţă pentru măsurarea şi exprimarea vitezelor dezvoltate de aparatele de zbor. Viteza sunetului are valoarea de aproximativ 331 metri/secundă, măsurată la o temperatură de 00C şi poartă numele de Mach 1, ales în cinstea fizicianului şi filozofului austro-ceh Ernst Mach. Dublul vitezei sunetului este denumit şi Mach 2, o viteză egală cu de trei ori valoarea vitezei sunetului este Mach 3 ş.a.m.d. La temperatura de 200C viteza sunetului are o valoare de 343,14 metri/secundă.

Primele încercări de măsurare a vitezei sunetului îi sunt atribuite omului de ştiinţă şi filozofului francez Pierre Gasendi şi datează din secolul XVII. Valoarea estimată de acesta a fost de 478,4 metri/secundă. În jurul anului 1650, fizicienii italieni Giovanni Alfonso Borelli şi Vicenzo Viviani au obţinut o valoare de 350 metri pe secundă, folosindu-se de o armă de foc şi măsurând timpul dintre momentul observării flashului generat de descărcarea armei şi momentul în care sunetul era auzit de un observator aflat la o distanţă apreciabilă faţă de locul executării focului. Compatriotul lor G.L. Bianconi demonstra în 1740 faptul că viteza sunetului în aer creşte odată cu temperatura. Prima valoare experimentală cu un grad de precizie corespunzător a fost obţinută la Academia de Ştiinţe din Paris în 1738 şi era de 332 m/s. În 1942 valoarea era corectată la 331,45 m/s, pentru ca în 1986 să se ajungă la 331,29 m/s, valoare măsurată la temperatura de 00C.

 

 

Chuck Yeager
Chuck Yeager

 

Care a fost primul avion care a depăşit bariera sunetului?

Bariera sunetului a fost depăşită pentru prima dată în 1947 de pilotul în vârstă de doar 24 de ani pe nume Chuck Yeager, la bordul unui aparat de zbor de tip Bell X-1. Avionul a fost lansat de la bordul unui alt aparat de zbor aflat în aer la mare înălţime şi a atins viteza de 1229 de km/h, fiind propulsat de un motor-rachetă. Deşi la vremea respectivă bariera sunetului era considerată de netrecut, în zilele noastre foarte multe aparate de zbor dezvoltă viteze supersonice.

Ce reprezintă boomul sonic?

Boomul sonic este un fenomen care apare atunci când un obiect se deplasează cu o viteză mai mare decât cea a sunetului. Practic, atunci când un aparat de zbor - de exemplu un avion supersonic  - depăşeşte bariera sunetului, acesta călătoreşte mai repede decât undele sonore o pot face. Ceea ce rezultă este un fenomen de compresie a undelor sonore care creează un "boom" când ajung la nivelul urechii unei persoane. Boomul sonic nu este un eveniment de scurtă durată care apare în momentul în care un avion depăşeşte bariera sunetului, ci un sunet continuu generat de un aparat care se deplasează cu o asemenea viteză.

Când un obiect (de exemplu, un avion) se deplasează prin aer, acesta creează o serie de unde de presiune înaintea şi înapoia sa, asemenea undelor create pe suprafaţa apei de o barcă. Aceste unde se deplasează cu viteza sunetului şi, pe măsură ce viteza aparatului de zbor creşte, undele se apropie treptat unele de altele, apare un fenomen de compresie a acestora, rezultând în cele din urmă o singură undă de şoc circulând cu viteza sunetului. Această viteză critică la care se petrece acest fenomen este Mach 1. Unda aceasta de şoc începe în partea din faţă a avionului şi se termină la coada acestuia, având forma unui con cu avionul pe post de vârf al conului.

 

Boom sonic

 

Toate obiectele care pot depăşi viteza sunetului pot da naştere unui boom sonic. De exemplu, proiectilele şi gloanţele, care ating viteze supersonice, produc boomuri sonice în timpul deplasării lor prin atmosferă. De asemenea, tunetul este un fenomen de boom sonic produs pe cale naturală, creat de încălzirea şi expansiunea rapidă a aerului în timpul unei descărcări electrice. Dacă deplasarea avioanelor, proiectilelor sau gloanţelor ar avea loc în spaţiul cosmic, fenomenul de boom sonic nu s-ar produce, pentru că undele sonore au nevoie de aer sau de un alt mediu pentru a se propaga.


Comentarii -

 

Căldura este o formă de energie, astfel că foloseşte unitatea de măsură numită joule după fizicianul englez James Prescott Joule. Deşi joule-ul reprezintă standardul internaţional stabilit pentru măsurarea energiei, căldura poate fi măsurată şi în calorii.

O calorie se defineşte ca fiind cuantumul de energie necesar pentru a creşte temperatura unui gram de apă cu un grad Celsius sau Kelvin. Energia necesară pentru acest proces este de 4,186 jouli, o cantitate relativ mică de energie. Valoarea aceasta variază în funcţie de temperatura la care se află apa atunci când i se ridică temperatura cu un grad. Măsurătorile efectuate atunci când s-a ridicat temperatura unui gram de apă de la 14,50C la 15,50C au relevat valori ale caloriei cuprinse între 4,1852 şi 4,1858 jouli. Când apa are temperatura în jurul valorii de 200C, se obţine o valoare aproximativă a caloriei de 4,182 jouli. La 40C, obţinem 4,204 jouli. S-a stabilit şi o valoare a caloriei medii, ca fiind a suta parte din energia necesară creşterii temperaturii unui gram de apă de la 00C la 1000C la presiune atmosferică normală, şi anume 4,190 jouli.

 

 

De ce vorbesc nutriţioniştii de calorie?

Nutriţioniştii folosesc şi ei deseori termenul "calorie" pentru a descrie aportul energetic pe care un anumit aliment îl aduce consumatorului uman. Însă, în ştiinţa nutriţiei, o calorie are valoarea egală cu cea a 1000 de calorii definite anterior. O calorie nutriţională mai poartă şi numele de calorie mare, sau Calorie. Caloria mare reprezintă energia necesară pentru a ridica temperatura unui kilogram de apă cu 10C. Pe de altă parte, dietele şi planurile nutriţionale fac şi ele referire la calorii. Un gram de carbohidrat pur are un aport energetic de 4 calorii mari, iar unui adult i se recomandă un meniu zilnic cu aport caloric de 2000-2500 de calorii mari. Ambalajele diverselor alimente conţin valori exprimate în calorii mari.

De exemplu, pe ciocolata Heidi Dark Chili pe care am cumpărat-o recent din Cora se precizează că acest desert are o valoare energetică de 580 Kcal, respectiv 2416 KJ. Cele 580 Kcal sunt kilo-calorii mari, deci valoarea în jouli se obţine înmulţind numărul 580 cu valoarea unei calorii (unitatea de măsură a căldurii) în jouli, adică 4,186, pentru a multiplica apoi din nou rezultatul cu 1000, pentru a acoperi transformarea calorie nutriţională în calorie mică. Se obţine astfel valoarea de 2427880, destul de aproape de cele înscrise pe ambalajul ciocolatei.

 

BTU, un alt fel de calorie...

O altă unitate de măsură pentru căldură este Btu, sau British Thermal Unit (termen pe care îl cunoaşteţi deja din articolul despre funcţionarea aparatelor de aer condiţionat). Btu-ul este similar caloriei pentru că este definit ca fiind căldura necesară ridicării temperaturii unei livre de apă cu un grad Fahrenheit. Această unitate de măsură este folosită doar în ţările care folosesc sistemul britanic al unităţilor de măsură, aşa cum este şi cazul Statelor Unite ale Americii. 1 Btu este egal cu 252 de calorii.

 


Comentarii -

Ştiaţi că atât mişcările patinatorilor pe gheaţă, dar şi felul în care pisicile îşi repoziţionează corpul astfel încât să cadă întotdeauna în picioare pot fi explicate prin prisma conservării momentului cinetic? Aflaţi detalii în acest articol...

Comentarii -

 

Dilatarea timpului joacă un rol major în cadrul Teoriei Relativităţii. Teoria lui Albert Einstein ne învaţă că dacă cineva ar putea călători cu viteza luminii, timpul s-ar opri pentru acea persoană. Din moment ce nimeni şi nimic, cu excepţia undelor electromagnetice, care au avantajul că nu posedă masă proprie, nu poate dezvolta o asemenea viteză, regula a fost extinsă sub forma fenomenului de dilatare a timpului: cu cât un obiect călătoreşte cu o viteză mai mare, cu atât timpul trece mai încet pentru acel obiect.

Dacă am putea propulsa o navă spaţială cu o viteză apropiată de viteza luminii şi am putea urmări indicaţiile unui ceas aflat la bord, am observa acest fenomen prezis de teoriile lui Einstein. Avioanele cu motor turboreactor care zboară la viteze mari pentru perioade lungi de timp confirmă fenomenul de dilatare a timpului prezis de Relativitatea Specială. Folosind ceasuri atomice extrem de precise, fizicienii au reuşit să verifice faptul că, într-adevăr, timpul trece mai încet la bordul unui asemenea aparat de zbor. Bineînţeles că încetinirea trecerii timpului ar deveni sesizabilă pentru observatorul uman doar în momentul în care am avea posibilitatea să ne deplasăm cu viteze apropiate de viteza luminii.

De exemplu, potrivit formulelor lui Einstein, dacă cineva ar călători cu o viteză egală cu o zecime din viteza luminii, lucru nerealizabil cu tehnologiile actuale, timpul ar încetini cu doar 0,5%. Cele mai rapide nave spaţiale construite până în prezent de către om dezvoltă viteze care "generează" o încetinire a timpului cu doar 2 milionimi dintr-un procent. Asemenea valori sunt, desigur, insesizabile pentru om. Şi lucrurile vor rămâne aşa până când tehnologia va evolua suficient de mult pentru a construi motoare sau a imagina metode de propulsie care să dezvolte viteze apropiate de viteza luminii, dacă acest lucru se va întâmpla vreodată.

 

 

Paradoxul gemenilor este un experiment imaginar, un exemplu care încearcă să ilustreze efectele dilatării timpului. Einstein a susţinut că dacă unul dintre doi gemeni ar urca la bordul unei nave spaţiale şi ar călători cu viteze apropiate de 300000 km/s, timpul ar curge mai încet pentru geamănul-astronaut, asta în timp ce geamănul rămas pe Terra ar experimenta timpul ca oricare dintre noi, la ratele pe care noi, pământenii, le considerăm normale şi imuabile. Ambii gemeni ar simţi că timpul trece normal pentru fiecare în parte ,numai că, la revenirea pe Terra a celui plecat să exploreze spaţiul cosmic, el nu va fi îmbătrânit decât cu câteva luni, în timp ce fratele său rămas pe Pământ ar fi deja bunic.

Rezultatul experimentului imaginar prezentat aici nu este paradoxal prin prisma vârstei diferite a celor doi gemeni identici la întoarcerea celui plecat în spaţiu. Problema este că legile fizicii ar trebui să aibă proprietatea de a se manifesta simetric, indiferent de sistemul de referinţă din care privim şi judecăm experimentul. Astfel că se naşte întrebarea: din moment ce fiecare geamăn îşi vede fratele călătorind, relativ la el, cu o viteză apropiată de viteza luminii, cum este posibil să se obţină un efect absolut (geamănul din nava spaţială chiar îmbătrâneşte mai puţin), ca rezultat al unei mişcări relative? De aici "paradoxul". Explicaţia, AICI.

 


Comentarii -

 

Ce este presiunea?

Presiunea este raportul dintre forţa care se aplică asupra unei anumite suprafeţe şi respectiva suprafaţă.

P=F/A

Rezultă, aşadar, că odată cu creşterea forţei şi concentrarea ei pe o suprafaţă cât mai mică, creşte şi presiunea. Altfel spus, presiunea scade dacă suprafaţa creşte şi/sau forţa scade.

Unitatea de măsură a presiuni

Presiunea se măsoară de obicei în Pascali (Pa) sau Newtoni/metru pătrat (N/m2). 1 Pa este echivalentul unui Newton pe metru pătrat, unde Newtonul, unitatea de măsură a forţei în Sistemul Internaţional, reprezintă forţa necesară pentru a imprima unui obiect cu masa de 1 kilogram o acceleraţie de 1m/s2.

Sistemul britanic

Este utilă o atare informaţie, adică modul anglo-saxon de a măsura presiunea, pentru că diverse instrumente de măsură pe care le găsim astăzi în comerţ sunt inscripţionate cu unităţi de măsură britanice.

În sistemul britanic se foloseşte drept unitate de măsură a presiunii livra pe ţol pătrat. Livra este o unitate englezească de măsură a masei egală cu 453.59237 grame, iar ţolul, termen românesc pentru inch, măsoară 2,54 centimetri. Englezii prescurtează unitatea de măsură a presiunii prin psi (pound per square inch). Mai exact, unitatea de măsură este pound-force per square inch, deci livra-forţă pe ţol pătrat – presiunea rezultată din aplicarea unei forţe echivalente cu greutatea unui obiect care cântăreşte o livră pe o suprafaţă de un ţol pătrat. 1 psi este egal cu 6.894757 kPa.

 

 

De ce au acele, piunezele, cuiele, piroanele şi săgeţile vârful ascuţit?

Scopul urmărit la folosirea acestor obiecte este de a penetra cât mai facil o anumită suprafaţă, adică de a pătrunde într-un anume material aplicând o cât mai mică forţă cu putinţă. Pentru a realiza o presiune cât mai mare asupra obiectului de găurit se folosesc astfel de lucruri, cu suprafaţă de contact de dimensiuni mici. Se obţin astfel presiuni foarte mari, deoarece presiunea creşte odată cu scăderea ariei suprafeţei pe care forţa este aplicată.

Este periculos să arunci o monedă de pe clădirile foarte înalte?

Dacă am arunca o monedă de 10 bani, care cântăreşte în jur de 4 grame, din vârful celei mai înalte clădiri din lume, un zgârie-nori din Dubai (Burj Dubai), încă neterminat, care se ridică actualmente la o înălţime de 780 de metri deasupra solului, moneda ar fi un real pericol pentru cineva aflat în trecere pe lângă impunătorul turn. Şi asta deoarece moneda ar accelera până la atingerea unei viteze terminale de peste 150 km/h, viteză la care forţa dezvoltată ar fi considerabilă şi, având în vedere suprafaţa mică de contact cu pielea capului trecătorului, presiunea rezultată la momentul impactului nu ar avea tocmai o valoare de neglijat. Pielea capului ar fi cu siguranţă străpunsă, existând chiar riscul unor răni mai grave la nivelul craniului.

Cum îi ajută principiile de mai sus pe sportivi?

Fotbaliştii, jucătorii de rugbi, baseball sau cei de fotbal american folosesc presiunea mare care apare la contactul dintre crampoanele pantofilor sport şi suprafaţa de joc, câştigând la capitolele aderenţă şi stabilitate, prevenind astfel alunecările, dar şi dezvoltând forţe de tracţiune superioare. Pe de altă parte, dacă aţi folosit vreodată tocuri înalte pe o suprafaţă moale acoperită de iarbă aţi constatat că deplasarea este îngreunată simţitor. Explicaţia este aceeaşi: greutatea d-voastră se distribuie pe suprafaţa mică a tocurilor şi ajungeţi să vă afundaţi în solul moale.

Poate un om să stea aşezat la orizontală pe un pat de cuie?

Atunci când o persoană s-ar întinde pe un asemenea pat, greutatea sa ar fi distribuită în mod aproximativ egal pe atât de multe cuie încât presiunea rezultantă la contactul cu fiecare cui în parte nu ar fi suficient de mare cât să ducă la străpungerea pielii. Este infinit mai uşor să stai pe 200 de cuie decât pe unul sau două; cu cât numărul de cuie este mai mare şi dispunerea lor uniformă, cu atât scade presiunea la fiecare punct de contact cu pielea omului respectiv. Dacă am scădea suprafaţa de contact, de exemplu stând în picioare pe patul de cuie în locul poziţiei orizontale, presiunea ar creşte. Principiul de calcul al presiunii ne spune că trucul nu este nici pe departe atât de greu de realizat precum unii magicieni sau şamani ne-ar lăsa să credem, dar, totuşi, nu îndemn pe nimeni să încerce aşa ceva acasă.

 

Pat de cuie
Om întins pe cuie
Sursa imaginii: picasaweb.google.com
Cum funcţionează patinele?
Când suntem pe patinoar şi purtăm în picioare o pereche de patine se dezvoltă o presiune destul de mare la contactul dintre lamele patinelor şi suprafaţa gheţii. Greutatea patinatorului se concentrează pe o suprafaţă foarte mică. Dacă patinatorul ar purta pantofi obişnuiţi, greutatea sa s-ar distribui pe o suprafaţă mult mai mare, cea a tălpii încălţărilor. Presiunea mare duce la coborârea temperaturii de topire a gheţii, ceea ce face ca o minusculă cantitate de gheaţă de sub patine să se topească (un rol îl joacă aici şi căldura generată de forţele de frecare apărute). Când patinatorul este în mişcare, patinele nu zgârie gheaţa solidă, ci mai degrabă alunecă pe apa creată de presiunea ridicată. După trecerea patinelor, apa îngheaţă la loc sub influenţa temperaturilor din jur.

Acelaşi fenomen poate fi observat dacă plasăm în frigider un fir de aţă cu greutăţi la cele două capete deasupra unei bucăţi de gheaţă. Lăsat în frigider peste noapte, firul va topi puţin câte puţin gheaţa, va pătrunde în profunzime în aceasta, pentru ca dimineaţa să fie complet fixat în corpul cubului de gheaţă.

 

Comentarii -

 

Când este un corp în cădere liberă?

Căderea liberă se produce atunci când un obiect este atras de forţa gravitaţională a unui corp ceresc masiv (Pământul, Luna, Soarele, alte planete, etc.), având o mişcare de sus în jos din perspectiva celor aflaţi la suprafaţa corpului care exercită atracţia gravitaţională. Obiectele care cad spre suprafaţa Pământului nu sunt, totuşi, în cădere liberă, fapt datorat forţelor de frecare cu aerul, care încetinesc corpul în mişcarea sa spre suprafaţa terestră. Căderea liberă ideală ar putea avea loc doar în vid, acolo unde atracţia gravitaţională ar fi singura forţă care ar acţiona asupra obiectului care cade liber.

Cât de repede cade un corp spre suprafaţa Pământului?

Dacă nu luăm în considerare rezistenţa aerului, deci dacă discutăm despre căderea liberă la modul ideal, un obiect aflat în cădere liberă accelerează la o rata egală cu acceleraţia gravitaţională, adică aproximativ 9,8 m/s2. Asta înseamnă că viteza unui corp aflat în cădere liberă creşte cu 9,8 m/s în fiecare secundă. Iată mai jos un tabel sugestiv care ilustrează felul în care evoluează viteza şi distanţa parcursă de un obiect aflat în cădere liberă în primele 10 secunde de la începutul mişcării descendente:

 

 

 

Timp (secunde)

Viteza (metri pe secundă)

v=gt

 

Distanţa (metri)

d=gt2/2

1

9.8

4.9

2

19.6

19.6

3

29.4

 

44.1

4

39.2

78.4

5

49.0

122.5

6

58.8

176.4

7

68.6

240.1

8

78.4

313.6

9

88.2

396.9

10

98.0

490.0

 

Ce se întâmplă în realitate? Ce este viteza terminală?

Viteza terminală reprezintă viteza maximă pe care un corp aflat în cădere liberă spre suprafaţa Pământului o poate atinge în condiţii reale. Paraşutiştii de meserie sau cei care practică sky-ping-ul ca sport extrem ştiu cel mai bine despre ce este vorba. Aceştia vorbesc despre viteză terminală ca fiind viteza de vârf pe care o persoană o poate atinge pe parcursul coborârii spre suprafaţa Pământului. Dacă abordăm problema teoretic şi la modul ideal, în care ignorăm frecarea cu atmosfera, accelerarea constantă de 9,8m/s2 ne-ar indica faptul că viteza de coborâre creşte la o rată constantă până în momentul contactului cu solul. În realitate, apare o forţă de rezistenţă destul de puternică din partea aerului, forţă care trebuie luată în calcul. Şi foarte interesant este faptul că această forţă nu este constantă, ci depinde de o mulţime de factori, printre care forma şi mai ales viteza paraşutistului (sau a oricărui obiect aflat pe o traiectorie descendentă spre suprafaţa planetei). Cu cât viteza de coborâre creşte, cu atât aerul dezvoltă o forţă de rezistenţă mai mare, forţă contrară gravitaţiei. Viteza terminală este atinsă atunci când rezistenţa aerului egalează forţa gravitaţională. La acel moment mişcarea uniform accelerată a paraşutistului se transformă într-o mişcare rectilinie uniformă, deci avem de-a face cu o cădere spre suprafaţa Pământului la o viteză constantă. Bineînţeles că pentru a putea atinge viteza terminală este nevoie să se execute salturi de la înălţimi apreciabile, care permit atingerea vitezelor respective.

Cât de repede poate cădea un om?

În medie, viteza terminală în cazul paraşutiştilor se situează în intervalul 150-200 km/h, şi depinde de greutatea persoanei, de forma corpului ei, dar şi de aerodinamică, deci de tehnica de coborâre aleasă până la momentul deschiderii paraşutei.

Cum funcţionează o paraşută?

Rolul paraşutei este de a creşte rezistenţa cu care aerul acţionează asupra unui paraşutist aflat în cădere. Astfel, viteza de cădere este încetinită. La momentul deschiderii paraşutei forţa de rezistentă a aerului depăşeşte forţa gravitaţională, astfel că viteza paraşutistului scade simţitor. În câteva momente este atinsă viteza terminală a ansamblului format de sportiv şi paraşuta deschisă, ceea ce permite o aterizare cu viteze în jurul a 15-25 km/h la momentul contactului cu solul, însoţite de dezvoltarea unor forţe suportabile de anatomia umană. Tehnica de amortizare la momentul impactului este şi ea foarte importantă pentru integritatea corporală a paraşutistului.

 

Comentarii -

Materia poate exista în natură în 3 stări de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. O stare de agregare este o formă de organizare a materiei caracterizată prin uniformitate în consistenţă şi rezistenţă, proprietăţi care o diferenţiază de celelalte stări în care substanţa respectivă se poate găsi. O substanţă în stare solidă are o formă bine definită şi este rigidă, una în stare lichidă nu are o formă stabilă, dar are volum fix, iar în cazul stării gazoase nu putem vorbi nici de formă, nici de volum fixe, substanţa aflată în această stare de agregare luând forma şi dimensiunile containerului în care se găseşte.

 

Stari de agregare a materiei

 

Diagrama de mai sus prezintă diferenţele de proprietăţi fizice şi aranjament al particulelor între substanţele aflate în cele trei stări de agregare. Într-un solid, particulele sunt dispuse aglomerat într-o configuraţie rigidă, ceea ce conferă substanţei formă şi dimensiuni fixe. Într-un lichid, particulele sunt dispuse aproape unele de altele, dar au libertate de mişcare, ceea ce se traduce prin volum fix şi formă specifică fluidelor, deci forma containerului în care sunt aşezate. În cazul gazelor particulele pot ocupa întregul volum al containerului, astfel că atât forma, cât şi volumul lor sunt definite de container.


Una dintre diferenţele majore dintre cele trei stări de agregare, ilustrată în figura de mai sus, este dată de numărul de interacţiuni între moleculele din compoziţia substanţei. Particulele unui solid interacţionează cu toate particulele vecine, într-un lichid doar cu unii dintre vecini, iar într-un gaz, cel puţin în mod ideal, nu există interacţiuni între particule. Prin ruperea sau formarea legăturilor intermoleculare, o substanţă poate trece dintr-o stare de agregare în alta. De exemplu, moleculele din compoziţia unui gaz condensează dând naştere unui lichid datorită prezenţei forţelor de atracţie intermoleculare. Cu cât forţele de atracţie devin mai puternice, cu atât mai stabil este lichidul (fapt care se traduce în creşterea punctului de fierbere). Transformările între diversele stări de agregare ale unei substanţe sunt ilustrate în figura de mai jos.

Diagrama de mai jos arată numele transformărilor de stare între lichide, solide şi gaze. Săgeata din dreapta indică faptul că cele trei stări de agregare sunt caracterizate prin valori diferite ale entalpiei sistemului. Entalpia dă măsura potenţialului termodinamic al unui sistem şi este calculată însumând energia internă a sistemului (o sumă a tuturor formelor microscopice de energie a unui sistem fizic sau chimic, oricare ar fi aceasta – mecanică, electrică, magnetică etc.) cu lucrul mecanic de dezlocuire a volumului substanţei efectuat la o presiune egală cu presiunea la care se găseşte respectiva substanţă. Gazele au cea mai mare entalpie, urmate de lichide şi de solide. De aici rezultă că fiecare transformare a stării de agregare este însoţită şi de o modificare a entalpiei substanţei care suferă trecerea dintr-o stare în alta.

 

Transformari de stare

 

Transformările de stare sunt un tip special de reacţii chimice. Reacţiile chimice, conform celor învăţate în liceu la orele de chimie, presupuneau de obicei ruperea unor legături în interiorul moleculelor, pe când în cazul transformărilor de fază avem de-a face cu ruperea sau formarea de legături intermoleculare (interacţii între moleculele aceleiaşi substanţe). Ca în cazul oricărei reacţii chimice trebuie studiat ce presupune transformarea de stare din punct de vedere energetic, ce cantitate de energie este absorbită sau cedată pe parcursul ruperii, respectiv formării legăturilor intermoleculare.

Trecerile dintr-o stare de agregare în alta care presupun ruperea unor legături între molecule (topirea, vaporizarea şi sublimarea) necesită un input energetic pentru învingerea atracţiilor intermoleculare între particulele substanţelor (reacţii endotermice). Celelalte transformări  (condensarea, solidificarea şi desublimarea) sunt însoţite de eliberarea de energie pentru că particulele adoptă o configuraţie cu o entalpie inferioară (reacţii exotermice).

Deşi cea mai rar întâlnită pe Terra, plasma, considerată de multe ori a patra stare de agregare a materie, este cel mai des întâlnită la scara Universului, fiind starea în care se găseşte materia care intră în compoziţia stelelor. Este de fapt un gaz ionizat, din care cauză nu toate textele o consacră ca fiind o stare separată de agregare a materiei.

 

Câteva detalii despre plasmă puteţi citi în acest articol.

Comentarii -