Karácsonyi fizika

Korábban már készítettem egy összeállítást karácsonyra. Akkor kémiai témákkal, konkrétabban illatokkal foglalkoztam a Karácsonyi illatok című összeállításban.

Most a fizika kerül a középpontba.

 

Kezdem talán az ismert télapós sztorival, bár nálunk nem karácsonykor jön, de azért mégis van köze az ünnepekhez.

Évekkel ezelőtt jelent meg egy összeállítás, amiben kiszámolták, mi kellene ahhoz, hogy a télapó egy nap alatt kihordhassa az ajándékokat a becslés szerint 91,8 millió házban (lakásban) élő 378 millió keresztény gyerekhez, feltételezve, hogy háztartásonként legalább 1 jó gyerek van.
Az különböző időzónák és a Föld tengely körüli forgása miatt 31 órája van az ajándékok szétosztására, feltételezve, hogy Keletről Nyugat felé halad és mindezt étlen-szomjan teszi. Ez másodpercenként 822,6 lakást jelent. Tehát lakásonként 1/1000 másodperce van a teljes műveletre kéményen le, ajándékok lerakása és vissza, indulás a következő házhoz. Feltéve, hogy a háztartások a világ különböző részein találhatók, akkor átlagosan 1,25 km-t kell, összesen 120 millió kilométert kell megtennie.
Ehhez kb. 1000 km/s sebesség, a hangsebesség 3000-szerese lenne szükséges!
Ha minden gyerek csak kb. 1 kilogrammos csomagot kap, akkor összesen 321.300 tonnát kell széthordania, plusz a télapó és a rénszarvasok tömege. Egy rénszarvas kb. 150 kilogrammot bír el. Ennek a tízszeresével számolva is 214.200 rénszarvasra lenne szükség. Így a teljes tömeg 353.430 tonna lenne. (Ez négyszerese a Queen Elizabeth hajó tömegének.)
Ez a tömeg 1000 km/s-os sebességgel haladva irdatlan nagy légellenállásba ütközik, ami nagyon nagy fejlődéssel jár. A két vezér rénszarvas másodpercenként 143.000.000.000.000 (143 trillió) joule energiát nyel el. Elhanyagolható idő alatt égnek el, (234.000.000.000 decibel erejű robbanási hanghatással). Az egész szán (a rénszarvasokkal együtt) 4,26 ezredmásodperc alatt ég el.
A Télapóra eközben 297.500 N centrifugális erő hat, 120 kg-os Télapó esetén 8.207.123 kg-os erő préseli a szán háttámlájához...

Az eredeti leírás úgy végződött, hogy én hiszek a télapóban.

Nézzünk ezek után kicsit reálisabb karácsonnyal kapcsolatos fizikai témákat.

A karácsonyfákra már régóta valamilyen elektromos fényforrást helyezünk.

Ennek a legegyszerűbb és ma (szerencsére) már nem használt változata a sorosan kapcsolt, közvetlenül a hálózati feszültségről működő égősor volt. Ehhez 20 darab 12 voltos izzót kellett sorosan kötni.
Ennek előnye az volt, hogy csak az égők és a vezetékek kellettek hozzá. Persze hátrányai is voltak. Ha egy égő kiég, akkor az egész sor kialszik. Elég macerás megtalálni a rosszat. A vezetéken jelenlévő fázis sem túl bíztató.

Lehet párhuzamosan kötni jó sok izzót, de akkor már trafó kell hozzá.
Előnye viszont, hogy nem kell jelen lenni a hálózati feszültségnek a vezetéken.
Hosszú vezetéken viszont már jelentős lehet a feszültségesés és a "hagyományos" égők egyre halványabban világítanak.

Manapság már LED-eket alkalmaznak a karácsonyfa lámpafűzérekhez.

Karácsonyfára készült LED-sor részlete és két gömbdísz.

 

Érdemes még megemlíteni néhány optikai jelenséget is a karácsonnyal kapcsolatban.

A díszeken általában valamilyen tükröző fémbevonat, legtöbbször ezüst található.
A díszek domború tükörként viselkednek és közelről fényképezve jópofa optikai jelenségek figyelhetők meg rajtuk, ahogy a képen is látszik.

Ha a fán nem is, de az ünnepi asztalon, az adventi koszorún azért sok helyen használnak ma is gyertyákat. A gyertya lángját szeretjük a fénye, színe, hangulata miatt.

A gyertyában lévő - általában szén és hidrogén tartalmú - anyagok olvadt állapotban a kanócon felszívódnak a hajszálcsövesség miatt.
A lángba alul bediffundál az oxigén és az elpárolgó éghető anyaggal szén-dioxiddá és vízzé egyesül.
A keletkező égéstermékek hőmérséklete, és ezáltal mozgási sebessége elég nagy ahhoz, hogy az atomok külső elektronját gerjessze (akkorát "ugranak" egy nagyobb pályára, majd vissza "a helyükre"), hogy közben egy a látható fény hullámhosszának tartományába eső fotont bocsátanak ki.

Ha már a fényeknél tartunk érdemes még megemlíteni a sarki fényt.
A télapó a mese szerint Lappföldről érkezik és ott gyakrabban előfordul sarki fény.
Ezt a fantasztikus látványt a napszélnek a Föld mágneses tere által „befogott”, nagy sebességű töltött részecskéi, a magnetoszférából a felső légköri gázok molekuláinak, atomjainak ütköző  elektronok okozzák, fénylésre gerjesztve azokat.

Felhasznált irodalom