Τοπίο στη Φυσική

Ο Νόμος της Παγκόσμιας Έλξης του Νεύτωνα δε διδάσκεται σε καμία τάξη του Γυμνασίου και Λυκείου. Παρόλα αυτά οι μαθητές πρέπει να διακρίνουν τη μάζα από το βάρος, να γνωρίζουν τι εννοούμε με την λέξη “βαρύτητα” και τι όταν συζητάμε για συνθήκες έλλειψης της βαρύτητας.

Αν και μέχρι σήμερα ακόμη δε γνωρίζουμε τον ακριβή μηχανισμό της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και δεν έχουμε ιδέα πώς λειτουργεί, απαιτούμε από τους μαθητές να αντιληφθούν, γιατί οι αστροναύτες αιωρούνται μέσα στο δορυφορικό θάλαμο και γιατί η Σελήνη δεν πέφτει ποτέ πάνω στη Γη, παρόλο που τη σέρνουμε διαρκώς μαζί μας. Η συνήθης απάντηση των μαθητών μας είναι ότι οι αστροναύτες βρίσκονται εκτός της ατμόσφαιρας ή ότι βρίσκονται πολύ μακρυά από τη Γη και δεν φτάνει μέχρι εκεί η έλξη της, όπως και η Σελήνη.

Η βαρύτητα είναι μια δύναμη που ασκείται μεταξύ οποιωνδήποτε δύο μαζών στο σύμπαν. Δεν υπάρχει πιο οικεία προς εμάς δύναμη από την έλξη που τραβά το σώμα μας, τα σπίτια μας και ό, τι άλλο υπάρχει στη ζωή μας, προς τον πλανήτη Γη από κάτω μας. Ακόμη και στην περίπτωση των αστροναυτών αυτή υπάρχει σε αφθονία. Η επίδραση της βαρύτητας απλώς συγκαλύπτεται από την κίνηση τους, καθώς περιφέρονται γύρω από τον πλανήτη. Μόνη διέξοδος είναι το βαθύ διάστημα, πέρα ​​από την περιοχή των πλανητών ή των αστέρων, όπου μπορεί πραγματικά να ξεφύγει κανείς από τη βαρύτητα.

Εικ. 1. Στο σώμα Σ, που βρίσκεται στη ζυγαριά, ασκούνται δύο δυνάμεις: Η έλξη της Γης w και η δύναμη N της ζυγαριάς (Α). Η ζυγαριά, με τη σειρά της, δέχεται από το σώμα Σ την αντίθετη δυναμη της Ν, λόγω της Δράσης-Αντίδρασης από τον 3ο Νόμο του Νεύτωνα (Β). Αυτή είναι η δύναμη που μετράει η ζυγαριά. Όταν η Ν μηδενιστεί το σώμα Σ αιωρείται.

Γενικότερα, η αίσθηση του βάρους που βιώνουμε στην καθημερινή ζωή είναι ακριβώς η αίσθηση του να στηριζόμαστε στο έδαφος, καθώς αυτό ασκεί πάνω μας κάθετες δυνάμεις, που εμείς αντιλαμβανόμαστε. Με λίγα λόγια όταν διαβάζουμε τα κιλά ενός σώματος Σ στη ζυγαριά, στην πραγματικότητα μετράμε την κάθετη δυναμη N που ασκεί το Σ πάνω στη ζυγαριά (εικ. 1, B), ως αντίδραση στην αντίθετη δυναμη N που ασκεί η ζυγαριά (εικ. 1, Α) πάνω στο Σ (Δράση-Αντίδραση). Αν μπορέσουμε με κάποιο τρόπο να μηδενίσουμε τη δυναμη Ν τότε προφανώς έχουμε πετύχει συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, γιατί το Σ ούτε θα δέχεται ούτε θα ασκεί δύναμη στο δάπεδο (ζυγαριά).

(περισσότερα…)

To 1929 o Edwin Hubble, μετά από μακροχρόνιες παρατηρήσεις στο Αστεροσκοπείο του Όρους Ουίλσον, στην Καλιφόρνια, ανακοίνωσε ότι σε ένα σύμπαν που διαρκώς επεκτείνεται, όσο πιο μακρυά βρίσκεται ένας γαλαξίας από εμάς τόσο πιο γρήγορα κινείται. Βρήκε δηλαδή ότι οι ταχύτητες που απομακρύνονται οι γαλαξίες είναι ανάλογες της απόστασής τους από εμάς. Με την ανακάλυψη αυτή εδραιώθηκε η πεποίθηση στην επιστημονική κοινότητα ότι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι καλά τεκμηριωμένη.

Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Πώς επιβεβαιώνεται η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης με τα ευρήματα του Hubble;

Μια εξαιρετική προσέγγιση του πώς μπορούμε να βρούμε μία απλή και κατανοητή μέθοδο, την οποία να προτείνουμε στους μαθητές των μεγάλων τάξεων του λυκείου (Β΄ και Γ΄ τάξης) ή σε πρωτοετείς φοιτητές, περιγράφει ο Dr Ted Forringer, καθηγητής σε τεχνολογικό κολλέγιο της πολιτείας Georgia, ΗΠΑ, σε άρθρο του στο επιστημονικό περιοδικό The Physics Teacher με τίτλο “A Guided Innquiry on Hubble Plots and the Big Bang”.

O Dr Forringer χρησιμοποιεί απλά διαγράμματα, που δίνει στους μαθητές του, όπου φαίνονται οκτώ σωματίδια να κινούνται προς ορισμένες κατευθύνσεις και ζητάει από τους μαθητές να αναγνωρίσουν σε ποια από αυτά απεικονίζεται κάποια έκρηξη και με τι χαρακτηριστικά.

Αντί για τα διαγράμματα, με τη βοήθεια της εφαρμογής Interactive Physics, σχεδίασα τέσσερα μικρά βιντεάκια, με τα οποία μπορούμε να έχουμε μια άμεση παρουσιάση της όλης μεθόδου, αφήνοντας στον μαθητή να συνάγει  τα συμπεράσματά του και να απαντήσει μόνος του στο ερώτημα, γιατί πιστεύουμε ότι το σύμπαν μας ξεκίνησε με μια έκρηξη δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Η φύση μιας έκρηξης

Η άσκηση ξεκινάει με την πιο βασική ιδέα: “Με τι θα έμοιαζε, αν παίρναμε μια φωτογραφία από μια ομάδα σωματιδίων που ξεκίνησε ως μέρος μιας ενιαίας έκρηξης;” Για τους σκοπούς αυτής της άσκησης, υποθέτουμε ότι, μετά την έκρηξη, τα σωματίδια θα κινούνται σε μια ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα. Υπάρχουν δύο κύρια κριτήρια για τον προσδιορισμό των ομάδων των σωματιδίων που παρήχθησαν σε έκρηξη:

Όλα τα σωματίδια πρέπει να απομακρύνονται από το ίδιο κεντρικό σημείο.

Δεδομένου ότι όλα τα σωματίδια ταξιδεύουν για το ίδιο χρονικό διάστημα, τα σωματίδια που είναι πιο μακριά πρέπει να κινούνται ταχύτερα. Αυτό συμβαίνει αν σκεφτούμε ότι . Επειδή  τα σωματίδια παράχτηκαν την ίδια στιγμή, ο χρόνος t της κίνησής τους θα είναι κοινός για όλα. Όχι όμως και οι ταχύτητές τους, γιατί μετά από μία έκρηξη, όλα τα “θραύσματα” δε φεύγουν με την ίδια ταχύτητα. Επομένως αυτά που θα έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες θα βρίσκονται και σε μεγαλύτερες αποστάσεις d.

Για την αντιμετώπιση του πρώτου σημείου, στους μαθητές εμφανίζονται τα δύο παρακάτω videos. Το video 1.1 , με σωματίδια που κινούνται μακριά από μια κεντρική θέση  και το video 1.2, με όλα τα σωματίδια να κινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Ρωτούμε, ποιο αντιπροσωπεύει σωματίδια που θα μπορούσαν να προέρχονται από μια έκρηξη.  Οι μαθητές το βρίσκουν αυτό απλό, και εύκολα αναγνωρίζουν ότι, προκειμένου να έχουν ξεκινήσει από μια έκρηξη, τα σωματίδια πρέπει να απομακρύνονται από μια κεντρική τοποθεσία

(περισσότερα…)