Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Kategoria: Technologie

Fajerwerki – gra świateł

Podobno czarny proch wymyślili Chińczycy. Nie po to jednak by używać go na polu walki, ale by się nim bawić. Jak ? Budując sztuczne ognie.

Pierwsze fajerwerki budowano by odstraszać złe duchy. Spalano suszone łodygi bambusowe by wydawały charakterystyczne trzaski. Później wypełniano je różnymi substancjami. Rozrywka zaczęła się wraz z rozwojem chemii. A właściwie nie tyle rozwojem ile świadomością. Odkrywano coraz to nowe substancje czy związki, których wcześniej nikt nie podejrzewał o wybuchowe konotacje. Dziś wiele z nich znaleźć można w petardach, bombkach czy rakietach. W Polsce pokazy sztucznych ogni odbyły się po raz pierwszy w 1918 r., kilka dni po ogłoszeniu niepodległości. Trwały wtedy zaledwie 3 minuty. Pierwsze znane pokazy sztucznych ogni zorganizowano na dworze cesarskim w Chinach w roku 468 p.n.e.

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

To wszystko fizyka …

Wybuchające na niebie sztuczne ognie to jedna z lepszych ilustracji tzw. zasady zachowania pędu. To dokładnie ta sama reguła, która tłumaczy dlaczego wyskakując z pokładu łódki na brzeg czy molo powodujemy, że łódka zaczyna odpływać. No właśnie, dlaczego ? Bo – jak powiedziałby fizyk – w układzie w którym nie działają siły zewnętrzne, pęd układu musi zostać zachowany. Oczywiście w wyżej opisanym przykładzie z łódką i jej pasażerem działają siły zewnętrzne – siły oporu, ale są one małe i można je pominąć. Tak więc jeżeli pasażer łódki wskakuje z jej pokładu na molo – łódka zaczyna się poruszać w przeciwnym kierunku. Można by powiedzieć, że ruch łódki równoważy ruch jej pasażera. Im z większym impetem wyskoczy on z łódki, tym szybciej sama łódka zacznie odpływać w przeciwnym kierunku. Co to wszystko ma wspólnego z fajerwerkami ? Człowiek płynący na łódce to układ składający się z dwóch elementów. Petarda rozrywana nad naszymi głowami, to układ składający się z setek a może nawet tysięcy elementów. Ilość nie gra jednak tutaj roli. Fizyka pozostaje taka sama. Każdy wybuch jest w pewnym sensie symetryczny. Jeżeli kawałek petardy leci w prawo, inny musi – dla równowagi – lecieć w lewo. Jeden do przodu, to inny do tyłu. W efekcie malujące się na ciemnym niebie wzory mają kształty kul, okręgów czy palm. Zawsze są jednak symetryczne. Zawsze takie, że gdyby potrafić cofnąć czas, wszystkie te ogniste stróżki spotkałyby się w punkcie znajdującym się dokładnie w środku, pomiędzy nimi.

… czy może chemia ?

Najczęściej występującą barwą na pokazach sztucznych ogni jest pomarańcz i czerwień. Pojawiają się też inne kolory. Skąd się biorą ? Wszystko zależy od tego z czego zrobiona, a właściwie z dodatkiem czego zrobiona jest petarda. Jej zasadnicza część to środek wybuchowy, ale czar tkwi w szczegółach. I tak, za często występujący pomarańcz i czerwień odpowiedzialny jest dodany do materiału wybuchowego wapń i bar. Inny pierwiastek – stront powoduje, że eksplozja ma kolor żółty, z kolei związki boru i antymon, że zielony. Ale to dopiero początek kolorowej tablicy Mendelejewa. Bo płomienie może barwić także rubid – na kolor żółto fioletowy, cez na kolor fioletowo-niebieski i bar na kolor biały. Potas spowoduje, że niebo stanie się liliowe, a miedź, że niebieskie. W produkcji fajerwerków wszystkie chwyty są dozwolone – o ile wykonuje je specjalista pirotechnik. Bo o efekt toczy się gra. Tak więc mieszanie poszczególnych związków jest nie tyle wskazane, ile wręcz pożądane. Jedno jest pewne. Specjalista spowoduje, że w czasie pokazu na niebie będzie można podziwiać więcej barw niż w łuku tęczy. Będą się pojawiały dokładnie w tym momencie, w którym chce je przedstawić twórca sztucznych ogni. Niebo z liliowego, przez zielony może stać się krwisto czerwone, aż na końcu spłonie intensywnym pomarańczem. A wszystko wg wyliczonego co do ułamka sekundy scenariusza. Ale czy na pewno tylko o kolory chodzi ? Co z dymem ? Co z hukiem ?

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

To sztuka!

Prawdziwy mistrz dba nie tylko o efekty wizualne, ale także dźwiękowe w czasie pokazu fajerwerków.  Żeby petarda zdrowo nadymiła trzeba zaopatrzyć się w zapas chloranu potasu, laktozę i barwniki – w zależności od oczekiwanego koloru dymu. Petardy błyskowe będą wypełnione magnezem, a hukowe i świszczące będą zawierały duże ilości nadchloranów i soli sodu i potasu. Można też wyprodukować mieszaninę iskrzącą, a wtedy przyda się węgiel drzewny albo oświetlającą. W praktyce – szczególnie w ładunkach profesjonalnych – różnego rodzaju mieszanki stosuje się razem. Nie wszystkie, w jednym worku, ale ułożone w odpowiedniej kolejności.

Można zapytać jak zadbać o chronologię w czasie trwającej ułamki sekund eksplozji ? To jest właśnie sztuka. Ładunek pirotechniczny wygląda trochę jak cebula. Składa się z wielu warstw. Petarda najpierw musi wznieść się w powietrze. Ani nie za wysoko, ani za nisko. W pierwszym wypadku efekt wizualny będzie marny, a w drugim – gdy wybuchnie zbyt blisko widzów – może dojść do tragedii. Prawdziwa magia zaczyna się, gdy ładunek jest już wysoko nad głowami. Poszczególne warstwy zapalają się od siebie i w zaplanowanej wcześniej kolejności wybuchają. Widz z zapartym tchem podziwia gęste kule rozrastającego się we wszystkich kierunkach różnokolorowego ognia, albo błysk i kilka opadających w bezwładzie długich ognistych języków. Gdy wszystko wydaję się być skończone, nagle pojawiają się migoczące gwiazdki, albo wirujące wokół własnych osi ogniste bombki. Po nich jest ciemność i cisza. Do następnej eksplozji, innej niż poprzednia. Innej niż wszystkie poprzednie.

Sztuczne ognie można sprowadzić do chemii materiałów wybuchowych. Można też powiedzieć, że są wręcz encyklopedycznym przykładem znanej każdemu fizykowi zasady zachowania pędu. Ale tak naprawdę sztuczne ognie to czary.

Kolory sztucznych ogni:

karminowy: lit, bar i sód

szkarłatny: bar 

czerwono-żółty: wapń i bar

żółty: stront, śladowe ilości sodu i wapnia

biały: cynk i bar

szmaragdowy: miedź i tal

niebiesko-zielony: związki fosforu ze śladowymi ilościami kwasu siarkowego lub kwasu borowego, związki miedzi

jaskrawy zielony: antymon

żółto-zielony: bar i molibden

lazurowy: ołów, selen i bizmut

jasnoniebieski: arszenik

fioletowy/liliowy: niektóre związki potasu z dodatkiem sodu i litu

purpurowy: potas, rubid i cez

1 komentarz do Fajerwerki – gra świateł

Ukryta komnata

Ukryta komnata, promienie kosmiczne i piramidy. Nie, to nie jest streszczenie taniego filmu science-fiction. Streszczenie tekstu z Nature

To podobno pierwsze znalezisko w piramidzie Cheopsa od XIX. I to od razu z grubej rury. Magazyn Nature napisał, że w jednym z najbardziej monumentalnych grobowców odkryto tajemniczą komnatę. Jej długość jest szacowana na kilkadziesiąt metrów, a o tym, że w ogóle istnieje dowiedziano się dzięki analizie… promieni kosmicznych. Jak tego dokonano?

Czerwoną strzałką zaznaczyłem odkrytą komnatę 

Składnikiem  strumienia cząstek, które docierają do nas z kosmosu są miony. A ściślej mówiąc, miony powstają jako cząstki wtórne w wyniku rozpadu mezonów w wyższych warstwach ziemskiej atmosfery. Miony mają cechy elektronów, ale są ponad 200 razy od nich cięższe. Strumień mionów jest dość duży, bo w każdej sekundzie, przez metr kwadratowy powierzchni Ziemi przelatuje ich prawie 200. Miony nie omijają także nas, ale nie są dla nas groźne. Od jakiegoś czasu fizycy nauczyli się je wykorzystywać praktycznie.

 

Wiadomo ile mionów leci na nasze głowy. Jeżeli na ich drodze postawimy przeszkodę, część z nich, w niej ugrzęźnie. Im gęstsza ta przeszkoda, tym ugrzęźnie ich więcej. Ustawiając w odpowiedni sposób detektory mionów, jesteśmy w stanie wykonać trójwymiarowy obraz skanowanego obiektu. Zasada działania tego pomiaru jest identyczna co działania tomografu komputerowego. Jest źródło promieniowania (promienie Roentgena, zwane promieniami X) i są detektory. Robiąc odpowiednio dużo pomiarów pod różnymi kątami, jesteśmy w stanie z dużą precyzją określić kształt, budowę i strukturę tych części ludzkiego ciała, które dla oka lekarza są zakryte.

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

W przypadku piramidy Cheopsa w Gizie nie było lekarzy, tylko fizycy i archeologowie, nie było promieni X, tylko kosmiczne miony. Nie było tomografu medycznego, tylko zmyślny system detektorów. Ale udało się dokonać tego samego. Znaleziono obiekt, a właściwie pustą przestrzeń, która wcześniej była przed wzrokiem badaczy zakryta.

Nie wiadomo czym jest tajemnicza komnata. Rozdzielczość tej metody jest zbyt mała, by stwierdzić czy znajdują się w niej jakieś obiekty. Może więc być pusta. Ale może też być pełna skarbów. Pusta przestrzeń znajduje się nad tzw. Wielką Galerią, czyli korytarzem prowadzącym do Komory Królewskiej. Nie wiadomo też, czy komnata (pusta przestrzeń) była zamurowana na etapie budowy piramidy, czy ktokolwiek po jej wybudowaniu do niej zaglądał. Piramida Cheopsa powstała w okresie tzw. Starego Państwa, czyli około 2560 roku p.n.e. Budowano ją zaledwie przez 20 lat. Jak na metody i technologie jakimi wtedy dysponowano, to tempo ekspresowe.

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

7 komentarzy do Ukryta komnata

Za dużo liczb.

To nie tak, że nie mamy lekarstwa na raka z powodu prostej niewiedzy. To nie tak, że zatruwamy środowisko z powodu niedoborów energii. Dzisiejszy świat cierpi z powodu nadmiaru. Niemal wszystkiego. Szczególnie nadmiaru danych.

To nie tak, że nie mamy lekarstwa na raka z powodu prostej niewiedzy. To nie tak, że zatruwamy środowisko z powodu niedoborów energii. Dzisiejszy świat cierpi z powodu nadmiaru. Niemal wszystkiego.

Lek na raka, szczepionka przeciwko malarii czy panaceum na choroby serca i nadwagę nie zostaną odkryte, dopóki nie nauczymy się wyciągać wniosków z bardzo dużej ilości danych. Danych wszelakiego rodzaju. Statystycznych, środowiskowych czy tych medycznych. Danych jest tak wiele, że nie sposób sobie z nimi poradzić. Chyba że do ich analizy zatrudnimy komputery.

Lek z komputera

W zasadzie od wielu lat to się już dzieje. Z danych, które do nich napływają, komputery wyciągają wnioski, a te są następnie wykorzystywane w życiu codziennym. Tak, to komputery regulują światłami na skrzyżowaniach dużego miasta. To, czy włączyć na którymś zielone, czy pozostawić czerwone, zależy od natężenia ruchu w całym mieście, od priorytetowych szlaków komunikacyjnych, od prac drogowych na szlakach alternatywnych, a nawet od tego, czy w kierunku miasta zbliża się np. burza. Człowiek nie poradziłby sobie z tak dużą ilością danych, nie byłby w stanie podejmować na ich podstawie decyzji.

escherichia-coli-1441194-1279x1229

Takich przykładów jak ruch w mieście jest znacznie, znacznie więcej. Podobnie działają systemy ruchu lotniczego, ale także linie produkcyjne w fabrykach czy systemy do analizy danych w laboratoriach naukowych, np. podczas projektowania leków. Żeby wprowadzić na rynek nowy lek, trzeba sprawdzić tysiące, a czasami miliony różnych kombinacji cząsteczek chemicznych. Każda najmniejsza zmiana budowy cząsteczki chemicznej leku, czasami oznaczająca „przestawienie” jednego atomu, może zmieniać jego działanie. Nie sposób eksperymentalnie sprawdzić wszystkich możliwych kombinacji, bo trwałoby to latami i kosztowałoby miliardy. Także tutaj z pomocą przychodzą komputery, które same dochodzą do pewnych wniosków, same domyślają się efektu. Do ostatecznego sprawdzenia pozostają tylko te wersje cząsteczki chemicznej, które – zdaniem oprogramowania – budzą największe nadzieje. I tak, od ruchu ulicznego, poprzez medycynę, bezpieczeństwo, fizykę (nikt już dzisiaj nie projektuje eksperymentów naukowych bez wcześniejszego uruchomienia symulacji komputerowych oraz systemów analizujących ogromne pakiety danych), telekomunikację, po zmiany społeczne… Wszędzie mamy za dużo danych, za dużo informacji, z którymi jakoś musimy sobie poradzić. Na szczęście nie jesteśmy sami, pomaga nam w tym tak zwana sztuczna inteligencja.

Podatki w Brazylii

Dlaczego tak zwana? Bo pomiędzy inteligencją człowieka czy nawet zwierzęcia a inteligencją maszyny jest sporo różnic. U nas inteligencja wiąże się w jakiś sposób ze świadomością i emocjami. U maszyn tylko (albo aż) – z umiejętnością uczenia się i wyciągania wniosków. Wielu ludzi boi się sztucznej inteligencji, bo przypisuje jej cechy, które mają inteligentni ludzie. Inteligentni, choć nie zawsze prawi. Stąd wizje buntujących się komputerów czy systemów, które mają swoje własne zdanie. Oczywiście odmienne od naszego. Ten bunt – jak się obawiamy – nie będzie polegał na tym, że nasze komputery zaczną nam robić głupie żarty, tylko na tym, że np. system komputerowy odetnie zasilanie energetyczne dużego miasta. To byłaby prawdziwa tragedia, tyle tylko, że w praktyce taka sytuacja dzisiaj jest niemożliwa. Nie dlatego, że systemy komputerowe nie rządzą zasilaniem, ale dlatego, że nie mają one woli i świadomości. Nie robią z własnej inicjatywy niczego, na co nie pozwoli im programista. Człowiek inteligentny to ktoś, o kim powiemy, że jest samodzielny i aktywny. Sztuczna inteligencja jest czymś, co jest bierne i podporządkowane człowiekowi. Owszem, radzi sobie świetnie z tasowaniem dużej ilości informacji, z sortowaniem ich i wyciąganiem z nich wniosków, ale nie potrafi choć na milimetr wyjść poza to, na co pozwoli jej programista.

Polska firma Cognitum stworzyła system, który jako jeden z najlepszych na świecie potrafi znajdować regularności czy wzory w dużych zbiorach danych. Jak mówią jego twórcy, ich system „pozwala wiązać fakty w morzu danych”. I robi to tak dobrze, że został włączony w ogromny program, którego celem jest wykrywanie nieprawidłowości podatkowych w… Brazylii. Wyłudzenia podatków można wykryć, analizując faktury, tyle tylko, że w tak dużym kraju jak Brazylia codziennie dochodzi do milionów transakcji. To powoduje, że w praktyce praca człowieka, a nawet tysiąca ludzi, jest skazana na porażkę. Co innego, jeśli chodzi o system komputerowy, który te faktury sprawdza i wyłapuje nieprawidłowości. W czasie rzeczywistym! Dzięki polskim programistom powstał system, który zainstalowano w urzędach skarbowych w całym kraju. Wyłapuje on nieprawidłowości od razu po tym, jak faktura zostanie wczytana do systemu. Co ciekawe, człowiek posługujący się systemem wcale nie musi być programistą. Z programem może się porozumieć, wpisując komendy w języku nieodbiegającym od tego, którym posługujemy się w rozmowie z innymi ludźmi. Może też te komendy po prostu wymówić. Program zrozumie.

Samo z siebie?

Ważną cechą systemu zaprojektowanego przez Cognitum jest to, że uczy się i potrafi wyciągać wnioski. Dzięki temu, jeżeli ktoś choć raz zastosował jakąś metodę na oszukanie urzędu podatkowego i ten trik zostanie wykryty, ta sama sztuczka już nigdy więcej się nie uda. Podobne metody można stosować do walki z bakteriami. One też mogą atakować na wiele różnych sposobów. Człowiek próbuje przewidzieć wszystkie drogi ataku, ale sprawdzenie tych scenariuszy trwałoby bardzo długo. Co innego, gdy do pomocy zaprosi się odpowiednio zaprojektowany system komputerowy. Mówimy o nim, że jest wyposażony w sztuczną inteligencję, ale tak naprawdę powinno się mówić o programach wyposażonych w umiejętność nauki i wyciągania wniosków.

digital-dreams-1155928-1280x960

Nasz mózg działa inaczej niż komputer, a inteligencja u ludzi i ta sztuczna, czyli komputerowa, to dwie różne rzeczy. Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego komputerom nie potrafimy nadać cech naszej inteligencji, z poczuciem osobowości i z własnymi celami włącznie? Po pierwsze, wcale nie jestem przekonany, że to dobry pomysł. A po drugie… Trudno nadawać maszynom cechy, których nie rozumie się u siebie. Nie wiemy, czym jest świadomość, poczucie odrębności. Nie potrafimy tego zdefiniować na poziomie nauk ścisłych. Nie wiemy, które „obwody” w naszym mózgu za to odpowiadają, a więc nie wiemy, jak tą cechą obdarzyć maszyny. Czy kiedyś tę barierę przełamiemy? Czy kiedyś maszyny staną się naprawdę (tak po ludzku) inteligentne? Nie da się tego wykluczyć. Przy czym dzisiaj wydaje się, że są dwie drogi do osiągnięcia tego celu. Będzie to możliwe, gdy sami zrozumiemy, na czym polega nasza świadomość. Gdy tak się stanie, będziemy mogli podjąć decyzję, czy nowo poznaną cechą obdarować maszyny. Jest jednak jeszcze druga opcja. Być może świadomość i poczucie odrębności pojawiają się „same z siebie”, gdy mózg staje się skomplikowany. Może to efekt skali? Może wraz z rozbudową systemów informatycznych, wraz z coraz większym skomplikowaniem programów samoświadomość maszyn pojawi się sama? Bez naszego bezpośredniego udziału i bez naszej wiedzy?

Współczesny świat produkuje tak wiele informacji, że bez pomocy programów, które się uczą i które wyciągają z tej nauki wnioski, nie jesteśmy już w stanie funkcjonować. Tego już się nie cofnie. A jaka będzie przyszłość? Okaże się jutro.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny
Brak komentarzy do Za dużo liczb.

Nie wyrzucaj baterii!

Każdy powinien wiedzieć, że zużytych baterii czy akumulatorów nie wolno wyrzucać do śmieci komunalnych, tylko trzeba zanosić do specjalnie przygotowanych pojemników. Ale czy wiemy dlaczego należy tak postępować?

Każdy powinien wiedzieć, że zużytych baterii czy akumulatorów nie wolno wyrzucać do śmieci komunalnych, tylko trzeba zanosić do specjalnie przygotowanych pojemników. Ale czy wiemy dlaczego należy tak postępować?

Rocznie zużywamy prawie 300 milionów baterii. 90 proc. z nich to baterie jednorazowe. Zwykle gdy przestają działać, po prostu je wyrzucamy. W ten sposób do środowiska naturalnego trafiają tak trujące związki i pierwiastki jak ołów, kadm, nikiel, rtęć, lit i mangan. To czynniki silnie trujące. Wpływają negatywnie nie tylko na człowieka, ale na całe środowisko.

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

Z wielu szkodliwych substancji czy pierwiastków z których zbudowane są wyrzucane baterie, najgorszy wpływ na zdrowie i życie człowieka mają ołów, kadm i rtęć.

Ołów – jest pierwiastkiem trującym. Związki ołowiu mają negatywny wpływ na praktycznie wszystkie komórki i narządy. Jest szczególnie niebezpieczny dla dzieci i młodzieży.

Kadm – jest jeszcze bardziej toksyczny niż ołów. Niezależnie od tego w jaki sposób dostanie się do organizmu, jest magazynowany w wątrobie, nerkach, trzustce i płucach. Jest źródłem anemii.

Rtęć – związki tego pierwiastka są silnie trujące i mają dewastujący wpływ na ośrodkowy układ nerwowy. Szalony Kapelusznik, to jedna z postaci występującej w Alicji z Krainy Czarów. Kapelusznicy często cierpieli na choroby psychiczne, bo w procesie uzyskiwania filcu były używane związki rtęci.

Jedynym sposobem na zneutralizowanie zagrożenia jest utylizacja zużytych baterii w wyspecjalizowanych zakładach przeróbki odpadów niebezpiecznych. Tam stosowana jest albo metoda mechaniczna, czyli w skrócie mówiąc rozdrabnianie baterii i oddzielanie od siebie poszczególnych ich części, albo metoda termiczna, która polega na wytapianiu szkodliwych metali w temperaturze około 1400 st C. Trzecia jest metoda hydrometalurgiczna, która polega na chemicznym przetworzeniu baterii. Traktując je kwasami lub zasadami, wytapia się metale czy związki, które są szkodliwe.  Proces recyklingu odbywa się w warunkach kontrolowanych, a odpowiednie zabezpieczenia nie pozwalają by niebezpieczne związki trafiły do środowiska naturalnego.

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

Niezależnie od stosowanej metody, takie metale jak kadm, ołów, rtęć, nikiel czy lit, mogą być ponownie użyte.

PS. Zdaję sobie sprawę z tego, że tym wpisem absolutnie nie wyczerpuję tematu recyclingu baterii. Kiedyś napiszę o tym więcej. Po prostu dzisiaj wymieniałem dzieciom baterie w aparacie fotograficznym i zdałem sobie sprawę z tego jak dużo baterii zużywamy. Swoją drogą, coraz częściej myślę, że osoba (firma), która wymyśli sposób na wydajne i „zdrowe” dla środowiska magazynowanie energii elektrycznej, będzie autorem jednego z największych wynalazków wszech czasów.

9 komentarzy do Nie wyrzucaj baterii!

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