Mějme místnost kulatého tvaru, která je zevnitř pokryta zrcadly. Uvnitř mějme zdroj lidskému oku viditelného světla (pro zjednodušení ho berme jako bodový zdroj, který se z vnější strany chová také jako zrcadlo).
Co se stane, když po nějaké (libovolné) době zhasneme? Platí, že jsme v reálném světě.
Bude v místnosti stále světlo? Proč?
Bude v místnosti tma? Proč?
A co bychom museli udělat, aby tam bylo světlo i po zhasnutí?
Fyzikální guru (J,Xs,..) prosím, aby nám neosvíceným nechali tak 1 den na možné odpovědi
V reálném světě skutečně zrcadla nemají 100% odrazivost, jak píše Hladu výše, a proto se po nějaké době veškeré světlo pohltí a přemění na teplo (zahřátí zrcadel). A vzhledem k nepředstavitelně vysoké rychlosti světla tou 'nějakou dobou' myslíme zlomky sekundy.
Pakliže bychom ale uvážili hypotetická 100% odrazivá zrcadla, pak by se světlo skutečně odráželo donekonečna - za předpokladu, že by v oné místnosti nebylo nic, co by světlo pozorovalo (a tedy pohlcovalo). Pokud byste chtěli zjistil, zda v místnosti světlo stále je, a otevřeli malou škvírku k nahlédnuté, v tu ránu by všechno světlo uniklo a v místnosti by byla tma.
Situace popsaná výše není tak hypotetická, jak by se mohlo zdát. Černé díry, jak známo, svou gravitací dokáží pohltit i fotony světla. Povrch černé díry se označuje jako horizont událostí a je to sféra (povrch koule), na které je úniková rychlost rovna rychlosti světla. O něco výše nad ní je však oblast, ve které je orbitální rychlost rovna rychlosti světla. To tedy znamená, že tam mohlou uvíznout polapené fotony a následně tam neomezeně obíhat po kruhových drahách. Člověk, který by tak padal do černé díry (a přežil roztrhání slapovými jevy) by neviděl tmu, ale naopak velice jasné světlo.
Napadají mě další zajímavé otázky, nad kterými byste si mohli polámat hlavy, takže pokud by měl někdo zájem, tak:
1) Když ve vesmírném vakuu vyhodíte termosku s horkým čajem, bude ten čaj chladnout?
2) Když kosmonaut z kosmiské stanice ISS vyhodí míček směrem k Zemi, může míček dopadnout na Zem?
3) Raketoplán vyletěl na oběžnou dráhu a chce se setkat s vermírnou stanicí ISS. Propásl ale naplánovaný čas setkání o pár minut a teď obihá po stejné dráze a stejnou rychlostí jako ona, avšak o pár set kilometrů za ní. Jakým směrem musí zažehnout motory, aby stanici dohnal? (tahle je obzvlášť záludná)
Snad se autor vlákna nebude zlobit, že mu tady zaplevelím diskusi dalšími problémy.
Nikdy jsem neměl křídla, to hudba mě nutí létat...
Určitě, ani nejlepší Dewarova láhev na světě neumí stoprocentně zamezit úniku energie z jejího obsahu (byla by potřeba stoprocentní odrazivost vnitřní vrstvy a naprosté vakuum mezi stěnami láhve. Takže energie z čaje se postupně vyzáří do kosmu. Jde jen o čas.
Míček z ISS:
Vzhledem k tomu, že ISS musí pravidelně upravovat svůj orbit tryskami, aby nezačala sestupovat, míček spadne na Zemi. Avšak ne hned. Podle mě bude nějakou dobu obíhat a pak vlivem tření a odporu vzduchu sestoupí na zem.
14.08.2018, 08:17 (Tento příspěvek byl naposledy změněn: 14.08.2018, 08:38 uživatelem Martin. Edited 1 time in total.)
Takže odpovědi tu už více méně padly, postnu tedy ještě řešení z mého pohledu a pak zkusím odpovědět AElipse:
Odpověď: Obě odpovědi (Ano/Ne) jsou svým způsobem správné.
Na světě opravdu neexistuje nic se 100% účinností (snad až na anihilaci hmoty). Ať už vezmete do úvahy kvalitní zrcadlo nebo mylar, nikdy nebude účinnost odrazu 100% (co jsem četl, tak se ale docela blížíme).
To znamená, že část fotonů, která narazí na povrch zrcadla, nebude odražena, ale pohlcena (a v zápětí vyzářena s nižší energií, často ve formě tepla).
Vtip je tedy v tom, že v místnosti po zhasnutí je skutečně dále světlo. Ovšem jen krátkou dobu. Kolik (viditelného) světla zůstane po jednotlivých odrazech, pokud bychom vzali účinnost odrazu 90%?
Lidské oko má celkem úžasnou schopnost vnímat velmi slabé světlo (byť ne tolik, jako většina nočních zvířat), tedy můžeme předpokládat, že ještě po 65 odrazech bychom mohli říci, že je v místnosti "vidět" (byť, abychom mohli opravdu něco vidět, potřebovali bychom něco, co část světla pohlcuje, a to je problém).
Problém je jeden a to je rychlost světla: 300.000 km/s
Pokud by místnost byla velká 10 metrů v průměru, bylo by těchto 65 odrazů rovno asi 650 metrům. Čili by se zhaslo za 2,167e-6 vteřiny
Máme dvě možnosti, jak zajistit, abychom v místnosti viděli světlo:
1) použít infračervené brýle (protože teplo v místnosti zůstane o něco déle)
2) postavit dostatečně velkou místnost (a samozřejmě k tomu odpovídající zdroj světla)
ad 1: pak by záviselo na izolaci místnosti za zracadly: pokud by byla dostatečně účinná, zůstalo by v místnosti světlo ve formě tepla (IR) dost dlouhou dobu.
ad 2: Kdybychom měli místnost velkou třeba 10.000 km, a nechali bychom svítit (dostatečně výkonný*) zdroj dostatečně dlouhou dobu, aby se stihla celá "nabít" fotony, bylo by viditelné světlo ještě tak 2 vteřiny po zhasnutí
*) aby dokázal dodat víc fotonů, než kolik pohltí zrcadla, aby se lidskému oku zdálo, že je tam opravdu bílé světlo (jinak by to byl takový zajímavý třpytivý efekt a nebo v nejhorším případě jen "záhadné šero")
14.08.2018, 08:38 (Tento příspěvek byl naposledy změněn: 14.08.2018, 10:51 uživatelem Martin. Edited 12 times in total.)
@AElipse: Vůbec se nezlobím.
Hlavně, ekvivalent s černou dírou mne vůbec nenepadl, takže o to lepší.. zase jsem o něco moudřejší
Ale hlavně, že mi je už dlouhou dobou známa hypotetická možnost civilizace, která žije pod horizontem, a tedy prakticky nemusí řešit v dohledné době (10e63 let) nějaký zánik vesmíru..
1)
Když do vesmíru hodíte termosku s teplým čajem, tak pokud na ní bude izolační vrstva, moc chladnout nebude. Teplo se totiž musí předat jinému médiu. Všimněte si, že vzduch (řidčí) chladí méně než voda (hustčí). Kdybyste si ve vakuu sundali skafandr, sice do 10-30 vteřin ztratíte vědomí a získáte nějaká ta zranění (záleží, zda budete na Slunci nebo ne) a do minuty až dvou umíráte na nedostatek kyslíku, ale pokud jde o teplo, pokryjete se vrstvičkou ledu z odpařené vlhosti, slin, atd., a ten je dost slušný izolant. Kromě toho, samotné vakkum je také dobrý izolant (víte, proč se mezi skla oken dává když už ne vakkum, jak jiný plyn, než vzduch? Nepřenáší tolik teplo).
Čili, abych odpověděl, ano čaj bude chladnout, ale ne tak rychle, jak bychom si mysleli. Pokud bude navíc v dohledu Slunce, nejspíš se termoska přehřeje a tlakem vybouchne
Poznáte to dobře: kov či voda při pokojové teplotě je "studenější" (odvádí z vás rychleji a tedy víc tepla) než vzduch.
P.S.: Až se Slunce stane bílým trpaslíkem, bude chladnout mnohem delší dobu, než kolik se dožije v současné formě žlutého trpaslíka. A až bude červeným, tak ještě pomaleji.. vyzařovat teplo jen na nízkých frekvencích pomocí radiace je tedy dobrý způsob způsob jak co nejpomaleji vychladnout.
Proto v počítačích u procesorů používáme chladiče nebo vodní chlazení a nespoléháme se na vzduch, a naopak, proč se u skleníků snažíme co nejméně omezit odhalení kovových konstrukcí, a dáváme tam polykarbonát se vzduchovými mezírkami.
Důvod, proč Slunce hřeje i ve vakuu je ten, že svítí na širokém elmag spektru (kdežto člověk se ochlazuje spíš předáváním tepla skrze nějaké médium -např. pocením), a i když se teplo jinak než zářením skrze vakkum moc dobře nešíří (spíš vůbec), skrze IR světlo (tedy záření), zvlášť v množství, v jakém ho produkují hvězdy, se šíří dost na to, abychom ho pocítili. Navíc platí, že sice čím energičtější záření (IR je v tomto ohledu "nejhorší"), tím je ho sice méně, ale když si vezmete, že takové gamma paprsky se vesmírem šíří celkem slušně, a dokáží vypařit celou planetu (při supernově)... na rozdíl od "klasického" světla se ale záření ve formě "tepla" šíří dobře i skrze prachová mračna, atd.
Omluva za laický a nepřesný výklad.
2)
Pokud tomu míčku neudělí únikovou rychlost, tak rozhodně začne k Zemi padat, a to buď kvůli tření o vrchní vrstvy atmosféry, nějakým "zásahem z venčí" (mikrometeorit, záření) a nebo prostě díky tomu, že jeho účinek pádové rychlosti (gravitace Země a míčku) bude vyšší než odstředivá síla.
Ale mám dost pochyby o tom, že dopadne na Zem. Vlivem zvyšování tlaku vzduchu, který každý vstupující objekt do atmosféry vyvolává, se zvýší teplota dost na to, aby se míček vypařil. Tohle je myslím jediný zásadní problém návratu na Zem: nebyl by problém vyskočit z ISS padákem, kdyby se něco pokazilo, ale teplota nám to prostě nedovolí
I když bych to asi nevylučoval. Pokud je možné po správné dráze přežít pád do černé díry, možná by něco z míčku na Zem dopadnout mohlo (když nepočítáme atomy z jeho prachu).
3)
O raketoplánu zkusím ještě přemýšlet. Ale vzhledem k rychlostem a množství paliva (ještě mu musí zbýt na brzdící manévr pro vstup do atmosféry) je možná jednodušší trochu zpomalit, udělat si "pár" oběhů Země navíc na vyšší orbitě, a počkat, až nás ISS dožene:
ISS obíhá rychlostí 7.66 km/s po kružnici ve výšce 408 km, tedy obvod 42572 km, doba oběhu 1.54 hodin (91 minut a něco). Pokud jsme od stanice dejme tomu 500 km, zpomalit pod první kosmickou nemůžeme (7.6 km/s), takže rozdíl i kdybychom šli na vyšší orbit bude tak 0.1 km/s. Na každý oběh stanice se tedy blížíme (z druhé strany) asi o 554 km. Budeme muset čekat asi 75 oběhů, než se zase přiblížíme (asi 5 dnů, ale kolikrát 2-3 dny přibližování nejsou výjimkou). A to by se vyplatilo to už zabalit a jet domů
1) Eugene i Martin zcela správně. Teplo se uvnitř termosky bude přenášet vedením, z jejího povrchu pryč pak zářením. Čaj tedy bude chladnout, byť velice velice pomalu, a jeho teplota by se měla v mezihvězdném prostoru ustálit na cca 2,7 K, protože právě taková je teplota vesmírného pozadí.
2) Mhouřím obě oči nad třením a zpomalováním o vnější vrstvy atmosféry - nicméně ve výšce 400 km nad mořem je hustota atmosféry tak nízká, že by vliv na pohyb míčku byl po celé roky zanedbatelný. Přiznám se, že já bych na to sám asi taky nepřišel, kdyby mi to nebylo přímo sděleno. Pokud jste zvědaví, odpověď ve spoileru, ostatní mohou nadále koumat.
Tahle otázka je velice záludná kvůli kontra-intuitivnosti orbitální mechaniky. Je třeba vzít v potaz, že astronaut dokáže hodit míček rychlostí řádově pár metrů za sekundu (dejme tomu třeba 20 m/s), zatímco rychlost stanice, kosmonauta i míčku ve směru "vodorovném" je přes 7600 m/s. Pokud si vektorově složíte tyto dvě rychlosti (poněvadž jsou na sebe kolmé, jde to snadno z Pythagorovy věty), zjistíte, že výsledná rychlost míčku vůči Zemi bude ještě o kousíček vyšší než rychlost stanice s astronautem!
Jak se to projeví na trajektorii míčku? Míček nyní nepoletí po kružnici, ale po elipse (velice podobné kružnici), jejíž periapsida (nejnižší místo) bude pod úrovní orbity stanice, ale její apopsida (nejvyšší místo) bude naopak nad úrovní orbity družice. Tím, že jste dodali míčku extra rychlost se vám zkrátka míček vrátí výš, než odkud jste ho hodili (podobný efekt jako když švihnete hopíkem o zem).
Když to dobře nasměrujete (házíte z přesně kruhové orbity směrem přesně na těžiště Země), tak se s vámi míček po jednom (vašem i jeho) oběhu setká znovu a praští vás zezadu do hlavy. Není to cool?
3) Odpověď souvisí trochu s předchozí otázkou. Martin navrhuje místo dohánění stanice raději zpomalit a počkat na ni. To samozřejmě možné je, i když by to trvalo déle (rozdíl drah bude v tomto případě výrazně větší). Mě ale bude zajímat, jakým směrem vůči směru letu musí raketoplán zažehnout své motory. Koumejte.
Nikdy jsem neměl křídla, to hudba mě nutí létat...
14.08.2018, 15:28 (Tento příspěvek byl naposledy změněn: 14.08.2018, 15:57 uživatelem Martin. Edited 4 times in total.)
ad 2:
Přečetl jsem si spoiler, a stejně jsem to napoprvé nepochopil
Teoreticky by to asi takhle fungovat mohlo.. na skládání vektorů rychlosti jsem, tupec, zapomněl
20 m/s bych asi bral (rekord na Zemi byl tuším 45m/s, ale je rozdíl házet ve skafandru a na baseballovém hřišti).
Součet vektorů je v tomto případě 7 600,03 m/s.
Možná, že to nechápu, jelikož to jde proti selskému rozumu. Ale..
Míček je sice o 0,03 m/s rychlejší než stanice, ale zároveň také nyní klesá rychlostí 20 m/s. Přihmouřím všechny tři oči nad tím, že kdyby se kosmonaut netrefil přesně kolmo k Zemi a jen mírně to vychýlil směrem vzad, tak jen ubere míčku rychlost a míček začne prostě padat (to vlastně padá i teď, ale součet sil dává beztížný stav).
Normálně by měl člověk tendenci brát i v potaz tíhové/gravitační zrychlení, které je v místě ISS dobrých 89% toho u povrchu, ale právě její orbitální rychlost ho vlastně krásně "vyruší"
Hrubý domácí rozum ™ mi říká, že aby ta elipsa byla možná, a zanedbali bychom atmosféru, musel by míček urazit určitou dráhu kolem Země dřív, než by narazil kvůli klesání do povrchu (zkrátka, aby minul Zemi od výchozího bodu nad jejím horizontem).
Což by asi neměl být problém: Zemi obletíme za 5544 vteřin, v ideálním případě je horizont 1/4 obvodu od nás, čili 1 386 vteřin, to je 27.7 km, a jelikož stanice je ve výšce 408 km, skutečně se povrchu ani nedotkne.
Pro (mnohem) rychlejší objekty by to ale už neplatilo.
Už chápu, proč se astronauti museli v Apollo 13 trefit do úzkého pruhu atmosféry, aby neshořeli, ale ani neodletěli pryč.. že to ale trvalo.
Yop! Když na to jde člověk vědecky a ne jen co se domnívá, že ví, tak to dává naprosto logicky smysl
ad 3):
zatím jsem ještě nezapojil mozek, tak si zkusím tipnout:
Když zažehnu motory tak, abych mírně zpomalil, začnu klesat, ale díky tomu, že budu opisovat menší poloměr mi stačí urazit kratší vzdálenost (podobě jako apex při průjezdu zatáčkou). Nicméně selský rozum se zase hlásí o slovo a říká, že to je blbost. Tedy, že bych pak musel zase na nižší orbitě přidat, abych nabral rychlost a dostal se na původní výšku (a dohnal spoždění kvůli nižší rychlosti), kde budu muset zase brzdit kvůli nižší rychlosti ISS.
Zkusím ještě hloubat.
Zažehnout motory ve směru letu selský rozum vyloučil, údajně proto, že bych tím sice stanici "dohnal", ale díky vyšší odstředivé síle bych byl na vyšší orbitě a tak trochu bych odlétal směrem do hlubokého vesmíru devět Takže vlastně nedohnal..
A nebo.. zažehnout hlavní motory sice po směru letu (mírně vyšší rychlost), ale manévrovací motory směrem k Zemi.. a použít jako navigátora místo tupce mého typu nějaký dobrý počítač, abych se se svou elipsou proťal kružnici ISS v době, kdy tam bude i ona.. i tak budu muset brzdit, abych jí zase neuletěl..
A nebo použít jen manévrovací motor směrem od Země (posune raketoplán blíž k Zemi).. ale to mi asi moc nepomůže. Kdybych získal 0,1 m/s navíc, trvalo by mi 57 dnů dohnat ztrátu 500 km. Kdybych to chtěl zrychlit, možná mi zase nezbude dost paliva abych to ubrzdil. Možná z tohoto důvodu není přibližování dvou těles žádná sranda a musí se spočíta dobře ještě na Zemi.
14.08.2018, 16:06 (Tento příspěvek byl naposledy změněn: 14.08.2018, 16:16 uživatelem Aelipse. Edited 2 times in total.)
Ad 3) Martin:
Jen drobná korekce: při zvýšení rychlosti nad orbitální nedochází hned k úniku do volného prostoru. Oběžná rychlost je velmi zhruba 8 km/s, úniková je až kolem 11 km/s. Co nastane, když trochu přidáš rychlost, je, že se tvá trajektorie protáhne z kružnice na elipsu - avšak stále obíháš Zemi.
Myslím, že ve svých úvahách jsi na dobré cestě. Chceš-li malou nápovědu, [spoiler: pak si uvědom, jak se liší rychlosti planet, které obíhají blízko u Slunce, od rychlosti těch, které jsou daleko od Slunce. ]
Ad Hladu: To je naprosto správně (taky tady někdo hraje KSP? ), avšak je pouze jedním krokem ke správnému řešení.
Edit: Až uzavřeme tu trojku, tak sem hodím odkaz na video, ve kterém je dvojka i trojka pěkně vysvětlena.
Nikdy jsem neměl křídla, to hudba mě nutí létat...
