Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Miesiąc: Styczeń 2016

Śpiewające piaski

„Powszechnie wiadomym jest, że pustynię zamieszkują złe duchy, prowadząc podróżników do zguby przez najbardziej złośliwe sztuczki” – pisał w 1295 roku Marco Polo. Dzisiaj wiadomo, że to nie duchy straszą na pustyni tylko dźwięki produkowane przez wydmy.

„Powszechnie wiadomym jest, że pustynię zamieszkują złe duchy, prowadząc podróżników do zguby przez najbardziej złośliwe sztuczki”

– pisał w dzienniku ze swoich podróży Marco Polo. Był rok  w 1295 roku i o mechanice materiałów sypkich wiedziano wtedy niewiele (a i dzisiaj nie wszystko jest jasne i oczywiste). Dzisiaj wiadomo, że to nie duchy straszą na pustyni podróżników, tylko śpiewające wydmy. O co chodzi? O lawiny piasku.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie.

Samochód jadący po tzw. kocich łbach hałasuje, bo koła raz wjeżdżają na kamień, raz z niego zjeżdżają. I tak w kółko, wjeżdżają i zjeżdżają, wjeżdżają… A teraz wyobraźcie sobie ziarenka piasku, które zsuwają się w dół wydmy. Nie ześlizgują się przecież po gładkiej powierzchni, tylko po innych ziarenkach piasku, leżących głębiej. I tak jak samochód na „kocich łbach”, tak drobinki piasku, raz wtaczają się na ziarenka leżące głębiej, raz z nich staczają. Zsynchronizowany ruch ziarenek „góra-dół” powoduje, że wydma zachowuje się jak ogromna drgająca membrana. Te drgania, tak jak w głośniku, „produkują” dźwięki.

Zrzut ekranu 2016-01-22 o 13_Fotor

Gdy nachylenie zbocza wydmy przekroczy wartość graniczną (około 35 st), warstwy piasku zsuwają się (a). Ziarenka piasku nie poruszają się jednak po płaskiej nawierzchni. Najpierw same muszą się wtoczyć (b) i przetoczyć (c i d) po warstwie piasku która pozostaje nieruchoma. W efekcie ziarenka piasku nie tylko poruszają się ku podstawie zbocza. Ponieważ zjeżdżają po innych ziarenkach piasku, dosyć szybko drgają poruszając się góra – dół. Źródło grafiki: Laurie Grace, ŚWIAT NAUKI 11.97

Membrana w głośniku jest jednak dużo mniejsza niż powierzchnia zsuwającej się piaskowej lawiny. Dźwięki „wygrywane” przez śpiewające wydmy mogą być tak donośne, że słychać je z odległości nawet 10 kilometrów. Dokładne pomiary wykazały, że odgłosy powstające na pustyni mogą mieć głośność nawet do 105 decybeli, podczas gdy granica bólu u człowieka wynosi 120 decybeli.

Nie każda wydma śpiewa. Ziarenka piasku muszą być małe, ich średnica nie może przekraczać 0,5 mm. Czym piasek jest czystszy, tym bardziej prawdopodobne, że będzie śpiewał. Gdy w piasku są zanieczyszczenia (muł, resztki roślin czy szczątki zwierząt, np. małe kawałki muszelek), o śpiewaniu można zapomnieć. Śpiewające wydmy występują tylko tam, gdzie jest wysoka temperatura i niska wilgotność. Wydmy nigdy nie śpiewają wcześnie rano czy późno wieczorem, bo wtedy nawet na pustyni w powietrzu (i piasku) jest trochę wilgoci. Cząsteczki wody, sklejają ziarenka piasku, a to wstrzymuje piaskowe lawiny.

Moment w którym z wydmy zsunie się lawina jest nie do przewidzenia. Gdy stromizna wydmy osiągnie wartość graniczną (wynoszącą na Ziemi dla suchego piasku około 35 stopnie), potrzebne jest tylko jedno jedyne ziarenko, które spowoduje przekroczenie wartości krytycznej i niekontrolowana już niczym lawina zsuwa się w dół zbocza. To zachwianie równowagi może być spowodowane także hukiem, albo jakimś wstrząsem. Przeróżne dźwięki powstają więc na pustynie nagle. Czasami jeden dźwięk wywołuje następny, czasami – mówią podróżnicy – jak gdyby grała cała orkiestra. Słychać dzwony, trąbki, harfy, organy i flety. Czasami słychać wystrzały armatnie, syreny okrętowe, odgłosy samolotów, głośny gwar czy płacz. Marco Polo opisywał dźwięki przypominające nawoływania, odgłosy marszu czy klaskania. Bywa, że zaskoczony i przerażony podróżnik znajduje się w samym ich środku.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

W Polsce nie ma śpiewających wydm. Jest za to tzw. „piszczący” piasek. Spacerując po plaży, stopami ugniatamy piasek. Pod wpływem naszego ciężaru, jego ziarenka są pomiędzy siebie wciskane, a to powoduje ich drgania i powstawanie dźwięków. Piszczących. Czy śpiewające wydmy występują na innych globach? Nie wiadomo. Powierzchnia Marsa składa się prawie wyłącznie z pustyń. Inny rodzaj piasku, inna grawitacja, wilgotność, ciśnienie i temperatura. Oj, fizycy będą mieli pełne ręce roboty.

okładka - piasekArtykuł pochodzi z książki „Nauka. To lubię. Od ziarnka piasku do gwiazd”. Tomasz Rożek, WAB 2012

Brak komentarzy do Śpiewające piaski

Mróz i ekstremalne doświadczenie

Nieczęsto robię doświadczenia naukowe na samym sobie. Ale… czasami mi się zdarza. Ten eksperyment, który opiszę był chyba jednym z najbardziej ekstremalnych.

Ta historia ma swój początek na Syberii. Jakiś czas temu (była już zima) zbierałem tam materiały do kilku tekstów (m.in. o jeziorze Bajkał). Trochę podróżowałem po okolicy (na Syberii okolica to co innego niż u nas 😉 ), ale przez kilka dni stacjonowałem w Irkucku.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

Któregoś dnia mojej wyprawy byłem świadkiem dość zaskakującej sytuacji. Widziałem dwóch dosyć rosłych facetów, którzy rozebrawszy się do kompletnego rosołu wskoczyli do wody. Bajkał w grudniu nie zamarza, więc nie musieli robić przerębla. Temperatura powietrza wynosiła wtedy około minus 30 st C. Panowie się wykąpali, po czym – tak jak Pan Bóg ich stworzył – weszli do samochodu i odjechali. Nie wyglądali na umęczonych, przeciwnie, ta szybka kąpiel chyba im się podobała. Już wtedy pomyślałem, że fajnie byłoby spróbować samemu wykąpać się w jeziorze, środku zimy.

Jak to jest, że ci, którzy morsują nie czują zimna (ja nie czułem)? Jak to jest, że tak dobrze czujemy się w saunie, gdzie temperatura może dochodzić nawet do plus 120 st C (!!!) ? No i co dzieje się z naszym ciałem gdy szybko zmieniamy temperaturę otoczenia?

sauna-1417238-639x739Pomijając osoby chore na serce i małe dzieci, szybka zmiana temperatury jest dla nas korzystna. O ile  dobrze się do niej przygotujemy. Eksperyment rozpocząłem od sauny. Wejście do sauny to jak zderzenie się z gorącą ścianą. W takim otoczeniu ciało bardzo szybko może się przegrzać. Dlatego mózg włącza tryb awaryjny. Coraz szybciej oddychamy i coraz szybciej bije nasze serce, a wszystko po to, by jak najwięcej krwi przepompować z wnętrza ciała do warstwy podskórnej. To dlatego gdy jest nam gorąco, jesteśmy czerwoni na twarzy. Krew krąży bardzo blisko powierzchni skóry bo wtedy najlepiej działa system chłodzenia. Pocimy się, a woda, po to by wyparować, potrzebuje energii. Tą energię odbiera powierzchni skóry, ochładzając ją. W saunie jest ekstremalnie ciepło, więc w odpowiedzi, ekstremalnie mocno się pocimy. I tutaj mała uwaga. Siedząc w saunie, nie wycierajcie spływającego hektolitrami po skórze potu. To  jest bez sensu. Pozbawiacie się wtedy systemu chłodzenia, a to może doprowadzić do przegrzania organizmu.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

Prosto z sauny wskoczyłem do basenu z zimną wodą. Miałem wrażenie, że serce staje mi w miejscu. Tymczasem ono zaczęło szybciej bić, po to by przepompować krew z zewnętrznych warstw mojego ciała do środka. Ale to jeszcze nic. Z basenu (po dokładnym osuszeniu), w krótkich spodenkach, czapce, rękawiczkach i butach, wszedłem do kriokomory. Temperatura w środku wynosiła minus 120 st C (!!!). W takiej atmosferze człowiek może przetrwać tylko kilka minut. Pomijam fakt, że palec przymarzł mi do klamki (moja wina, ściągnąłem rękawiczki), mimo ekstremalnych warunków, nic mi się nie stało. Miałem jednak wrażenie, że serce wyskoczy mi z klatki piersiowej. W niskiej temperaturze czym mniej krwi w warstwach podskórnych tym lepiej. To dlatego gdy jest nam zimno, robimy się bladzi na twarzy. Krew szybko usuwana jest z powierzchni ciała i pompowana do środka. W ten sposób tracimy mniej energii. W czasie tego przepompowywania pracuje nie tylko serce, ale w zasadzie wszystkie mięśnie.

Zrzut ekranu 2016-01-05 o 00_Fotor

Mój sprint do wody. Biegłem szybko… żeby nie zmarznąć 😉 Temperatura powietrza wynosiła wtedy około minus 7 st. C

Przepompowywanie krwi wte i wewte to doskonały trening dla ciała. Postanowiłem więc zrobić ostateczny test. Przerębel. Temperatura minus 7 st C, piaszczysta plaża i woda. Zimna woda! Najpierw koniecznie trzeba rozgrzać mięśnie, a w czasie tej rozgrzewki sukcesywnie się rozbierać. Pozostają buty do nurkowania (by nie rozciąć sobie nogi na kawałku lodu i by nie odmrozić sobie palców), czapka, rękawiczki no i kąpielówki. I tu ogromne zaskoczenie. Wszedłem do wody i nie czułem zimna. Serio, serio. Po kilkudziesięciu sekundach czułem mrowienie w mięśniach. To znak, że trzeba wyjść z wody i ponownie się rozgrzać. W czasie rozgrzewki krew (z tlenem) pompowana jest do mięśni. W lodowatej wodzie, przeciwnie, krew usuwana jest z mięśni (to mrowienie to znak, że mięśniom brakuje tlenu). Każde kolejne wejście może trwać dłużej (później pojawia się uczucie mrowienia), pomiędzy kolejnymi wejściami, zawsze trzeba się jednak rozgrzać. Nie ciepłym ubraniem, broń Boże alkoholem, tylko ćwiczeniami. Ja biegałem, robiłem przysiady i pompki.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

Moje wrażenia? Polecam każdemu. Przed wskoczeniem do przerębla, czytałem, że w czasie morsowania mięśnie pracują intensywniej niż na siłowni. Nie wierzyłem, ale uwierzyłem. Kolejnego dnia, po moim eksperymencie, bylem tak obolały, że nie potrafiłem wstać z łóżka. Co polecam każdemu 😉 

 

4 komentarze do Mróz i ekstremalne doświadczenie

Wszystko jest matematyką – rozmowa z X. prof. Michałem Hellerem

O kosmosie, ciekawości, przypadku i matematyce z księdzem profesorem Michałem Hellerem, teologiem, kosmologiem, matematykiem i filozofem rozmawia Tomasz Rożek

Z księdzem profesorem Michałem Hellerem, teologiem, kosmologiem, matematykiem i filozofem rozmawia Tomasz Rożek. Poniższy wywiad jest uzupełnieniem dwóch rozmów, które opublikowałem na kanale YouTube.com/Nauka To Lubie. Pierwsza z tych rozmów dotyczyła wszechświata, a druga człowieka. U dołu wywiadu znajdują się bezpośrednie odnośniki do obydwu rozmów.

>>> Więcej naukowych ciekawostek na FB.com/NaukaToLubie

Co się stało się prawie 14 miliardów lat temu? Możemy w ogóle udzielić jakiejkolwiek odpowiedzi?

Historię wszechświata rekonstruujemy poruszając się wstecz. Do 3 minut po wielkim wybuchu mamy wiedzę bardzo solidną, a potem grzęźniemy w hipotezach. Im bliżej początku, tym bardziej hipotetyczna jest nasza wiedza. Ta wiedza opiera się na teorii, ale teoria jest dobrze sprawdzona chociażby w takich miejscach jak laboratorium fizyki cząstek CERN, gdzie zderza się ze sobą np. protony.

Wiemy w takim razie co stało się po Wielkim Wybuchu, ale co było w punkcie zero?

Pytanie, czy taki punkt zero w ogóle był. Według klasycznej kosmologii, według teorii Einsteina, rzeczywiście punkt zero istniał i był tzw. osobliwością, czyli obszarem, w którym załamuje się pojęcie czasoprzestrzeni. Pojęcia czasu i przestrzeni tracą tam sens. Tam urywa się nasza wiedza, znane nam prawa natury przestają działać.

Skoro nie prawa przyrody, to co się tam dzieje?

To jest pytanie, na które nie znam odpowiedzi. Mamy dwie wielkie teorie: fizyka kwantowa i fizyka grawitacji. Fizyka kwantowa rządzi światem cząstek elementarnych, mikroświatem. Fizyka grawitacji rządzi kosmosem w wielkiej skali. Zaraz po Wielkim Wybuchu te dwie teorie nakładały się na siebie. Po to by wyjaśnić co dzieje się w osobliwości, trzeba połączyć te dwie teorie w jedną. Jest to niezmiernie trudne wyzwanie, bo te dwie siły mają zupełnie inną naturę. Moim zdaniem, to jest w tej chwili problem numer jeden fizyki teoretycznej. Mamy kilka, może nawet kilkanaście pomysłów jak grawitację i teorię kwantów ze sobą połączyć, ale żaden z nich nie jest potwierdzony doświadczalnie. Wszystko to są hipotetyczne rzeczy, posługują się bardzo ładną i zaawansowaną matematyką, ale nie mamy empirycznego rozstrzygnięcia, która jest prawdziwa i pewnie długo nie będziemy mieć.

Czy to jest przypadek, że człowiek został obdarzony umysłem, żeby dociekać tak skomplikowanych i abstrakcyjnych rzeczy?

Tego też nie wiemy. W każdym razie jest to rzecz niesamowita, że mamy taką władzę poznawania wszechświata. Bo pomyślmy nad tym. Jeżeli umysł ludzki powstał ewolucyjnie przez oddziaływanie z otoczeniem, to jak mówią biologowie, utrwalały się te cechy, które są potrzebne do przeżycia.

Wiedza o czarnej dziurze nie jest potrzebna?

Wiedza o czarnej dziurze jest absolutnie niepotrzebna do przeżycia.

Od biedy dałoby się połączyć wiedzę z sukcesem reprodukcyjnym. W końcu wolimy się otaczać ludźmi mądrzejszymi. Może intelekt czy wiedza to coś w rodzaju pożądanego przez przyszłego partnera gadżetu?

Myślę, że chyba wystarczyłby taki gadżet, który służyłby do uchylania głowy jak maczuga leci. Niemniej jednak jest to niesamowite, że człowiek ma tak rozwinięty umysł. Jeśli popatrzymy na historię, to tak naprawdę fizyka zaczęła się gdzieś w XVII wieku. Jesteśmy dopiero na samym początku. Co to jest kilkaset lat wobec 14 miliardów? I to jest rzeczywiście coś absolutnie niesamowitego. Można by to pytanie, które pan zadał, postawić w innej formie: czy złożoność ludzkiego mózgu wystarczy, ażeby zbadać złożoność wszechświata? Innymi słowy, czy złożoność wszechświata jest przykrojona na miarę naszego mózgu? Niezależnie od tego, czy jesteśmy sami we wszechświecie jako istoty rozumne, czy też są jacyś nasi bracia w rozumie, specjaliści mówią, że złożoność mózgu jest większa, niż złożoność całego wszechświata.

Ilość potencjalnych połączeń między komórkami w mózgu jednego człowieka jest większa niż ilość gwiazd we wszechświecie.

No właśnie. I to nas stawia w dość wyróżnionej pozycji. Natomiast czy dzięki tej złożoności możemy pojąć wszystko? Tu jest pewien logiczny paradoks. Jeśli chcielibyśmy pojąć wszystko, to musielibyśmy zrozumieć także mózg. Czy mózg może poznać sam siebie?

>>> Więcej naukowych ciekawostek na FB.com/NaukaToLubie

Mówiliśmy trochę o ewolucji, a z nią bardzo często wiąże się słowo „przypadek”. 

Arystoteles miał przyczynową koncepcję nauki, która w jakimś sensie jest aktualna do dzisiaj. Wyjaśniamy wszechświat według Arystotelesa przez ciągi przyczyn i skutków, takie łańcuchy przyczynowe. Natomiast on przypadek określił jako coś, co przerywa taki ciąg. Interweniuje przypadkowo w ten ciąg i zaburza go. I dlatego według niego nie może być wiedzy naukowej o przypadku. I ludzie uwierzyli, że przypadek jest jakimś takim obcym ciałem w nauce. Tymczasem okazuje się, że tak nie jest. Najbardziej dramatycznym czy widocznym przykładem próby oswajania przypadku jest ludzka chciwość. Jak ktoś gra hazardowo, to chce wygrać. Ludzie szukali więc jakiejś strategii, żeby zapewnić sobie zwycięstwo w totolotku, ruletce, czy w pokerze.

No i takiego sposobu nie znaleźli. Wygrana czy przegrana to kwestia przypadku.

Czy na pewno? Statystyka i rachunek prawdopodobieństwa mówią co innego. Gdyby było tak jak pan mówi, nie mogłyby działać np. banki czy towarzystwa ubezpieczeniowe, które liczą prawdopodobieństwo w związku z ubezpieczeniami na życie. Bez prawdopodobieństwa i statystyki nie byłoby dzisiejszej wiedzy. Ani fizyki, ani medycyny.

Bo statystyka daje odpowiedzi dotyczące ogółu a pojedynczy przypadek dalej jest dziełem… przypadku.

Też nie całkiem. W „Summa contra gentiles” św. Tomasz pisze, że boża opatrzność rządzi zdarzeniami ex casu del fortuna – dziejącymi się z przypadku lub losowo. Dwoje ludzi pobiera się, bo spotkali się, gdy spóźnił się pociąg. Czy to przypadek? Wszystko tu ma przyczynę. Pociąg się spóźnił, bo popsuła się lokomotywa. Młodzi ludzie byli w tym samym miejscu o tym samym czasie, bo każde z nich jechało w konkretne miejsce. W fizyce tak jest na każdym kroku. Dobrym przykładem jest zwykły rzut kamieniem. On jest opisany prostymi równaniami ruchu Newtona i wszystko jest – wydawałoby się – zdeterminowane, ale ja mogę przypadkiem tym kamieniem zamiast trafić w tarczę, to komuś w głowę. W nauce jest bardzo dużo miejsca na przypadki, a one same nie są zaprzeczeniem zasad przyrody. W siatce praw przyrody są pewne luzy na przypadki. Bez tych przypadków prawa przyrody by nie mogły działać.

A ten plan, te reguły, które tym wszystkim rządzą, te luzy, o których ksiądz profesor mówi, czy one jakoś powstały, czy one były zawsze? Jak to rozumieć?

No to jest problem genezy praw przyrody. I ja nie wiem jaka ona jest. To na pewno nie jest zagadnienie z dziedziny fizyki, bo fizyka zakłada prawa przyrody. Nie wyjaśnia ich. W każdym modelu fizycznym prawa fizyki są założone. Takie, a nie inne i koniec. Natomiast wyjaśnienie, skąd się biorą prawa przyrody, to już raczej należy do filozofii czy na przykład do teologii. Można powiedzieć, że to po prostu Pan Bóg stworzył.

>>> Więcej naukowych ciekawostek na FB.com/NaukaToLubie

To jest bardzo wygodne podejście. Pan Bóg stworzył, kropka. A może by się nad tym zastanowić ?

Często fizycy nie nazywają tego Panem Bogiem, ale skądś się one musiały wziąć. Einstein nie uznawał Boga w formie chrześcijańskiej. Raczej był bliżej panteizmu, ale używał hasła „Zamysł Boga” – the Mind of God. Może używał to jako metaforę, ale uważał, że zestaw praw przyrody to jest właśnie the Mind of God. I mówił: nie chciałbym nic więcej wiedzieć, tylko znać the Mind of God.

Znać boży zamysł… czyli to jedno równanie, które opisuje wszystko?

No tak. I tu są te granice fizyki, o których mówimy. Na to wszystko nakłada się matematyka, która jest uniwersalnym językiem opisu wszechświata. Tylko trzeba pamiętać, że matematyka nie oznacza wcale determinizmu.

2 + 2 zawsze równa się 4. Cała matematyka szkolna jest deterministyczna.

No bo w szkole się uczy najprostszych rzeczy: dodawania, odejmowania i pierwiastkowania. Niewiele więcej. W prawdopodobieństwie nic nie jest pewne, choć wszystko prawdopodobne. A to dopiero początek. Mechanika kwantowa posługuje się matematyką, która jest indeterministyczna. Wcześniej rozmawialiśmy o przypadkach. Ja rozróżniam dwa ich rodzaje. Jeden to przypadek wynikający z niewiedzy albo ignorancji. Np. mogę się z kimś założyć, czy z zza rogu wyjedzie tramwaj numer 8 czy 4. Ja nie wiem który i traktuję to w kategoriach przypadku, ale jeżeli te tramwaje są w drodze, to proces jest zdeterminowany. Natomiast czy są przypadki, zdarzenia, które rzeczywiście nie są zdeterminowane? Mechanika kwantowa jest świadectwem, że tak, są. I takie przypadki pojawiają się u podstaw całej naszej rzeczywistości.

Czy wszechświat ma jakieś granice geometryczne? Pytam zarówno o to, czy możemy dowolnie długo dzielić cząstki elementarne na coraz mniejsze kawałki, jak i o to, czy kosmos gdzieś się kończy?

Może być tak, że świat jest skończony, ale nie ma granicy. I wtedy idąc cały czas w jedną stronę, w końcu trafimy do punktu wyjścia. Modele otwarte mówią, że można zmierzać w jednym kierunku w nieskończoność. Nie ma żadnych naukowych powodów, by wszechświat miał granice. Natomiast czy można dzielić cząstki w nieskończoność? Nie wiem.

Co zapaliło małego Michała Hellera do tego by zajął się nauką? A co zapala już dorosłego księdza profesora by zajmował się nią dalej? 

Dorastałem w domu, gdzie rozmawiało się o nauce, o świecie. Ojciec był inżynierem, opublikował nawet kilka prac matematycznych. Od dziecka, jak tylko miałem jakąś książkę popularnonaukową, to się w niej zaczytywałem. I trudno tak ciekawymi rzeczami się nie zajmować. A dzisiaj? Chyba ta sama ciekawość co u małego Michała. Ciekawość jest motorem działania. Ale trzeba uważać, bo ona musi być pod kontrolą. Inaczej do niczego się nie dojdzie, niczego nie uda się wystarczająco dobrze zbadać. Na świecie żyje wielu geniuszy, którzy nie potrafili się ograniczyć. Wiedzą prawie wszystko o prawie wszystkim i zarazem niewiele. Wszystko ich za bardzo ciekawi. I w moim przypadku to zawsze było dość trudne i bywa trudne do dzisiaj. Interesuje mnie za dużo, a trzeba się ograniczyć do jednego.

>>> Więcej naukowych ciekawostek na FB.com/NaukaToLubie

Ksiądz Profesor Michał Heller jest teologiem, filozofem i kosmologiem. W 2008 roku jako jedyny dotychczas Polak został laureatem międzynarodowej Nagrody Templetona, przyznawanej za pokonywanie barier między nauką a religią. Jest autorem kilkudziesięciu książek. 

Opublikowany powyżej wywiad jest fragmentem rozmowy jaką przeprowadziłem z X. prof. Michałem Hellerem dla tygodnika Gość Niedzielny.
1 komentarz do Wszystko jest matematyką – rozmowa z X. prof. Michałem Hellerem

Type on the field below and hit Enter/Return to search