Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Φυσάει, κάνει κρύο κι εκείνη ανάβει το φως

Γιατί φυσάει; Γιατί κρυώνουμε; Γιατί ανάβει το φως ;

Τα ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ και οι ΕΝΝΟΙΕΣ

Και τα τρία ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ αναφέρονται σε κάποιο ορατό ή αόρατο ΡΕΥΜΑ.

Το πρώτο έχει σχέση με ρυάκι και άνεμο. Είναι το ΡΕΥΜΑ νερού ή αέρα. Ποσότητες αόρατου αέρα μεταφέρονται με ορισμένη ταχύτητα από μια περιοχή της ατμόσφαιρας σε μιαν άλλη, οι άνθρωποι λένε «φυσάει» και ρωτάνε «γιατί».

Το νερό κυλάει στο αυλάκι, στο ποταμάκι, στους σωλήνες της ΕΥΔΑΠ, και στον χείμαρρο.

Είναι η ροή του νερού και οι φυσικού αναζητούν την ΑΙΤΙΑ.

Το δεύτερο φαινόμενο είναι αυτό που μας κάνει να λέμε «κάνει πολύ κρύο» ή και «η ζέστη είναι αφόρητη». Οι φυσικοί καταφεύγουν στις ΕΝΝΟΙΕΣ θερμότητα και θερμοκρασία και μιλούν για μια διαφορετική ΡΟΗ

Το τρίτο φαινόμενο είναι αυτό με το οποίο τις νύχτες ανάβει το φως. Στη γλώσσα της καθημερινής ζωής, αλλά και στη γλώσσα των φυσικών κυκλοφορεί με το όνομα

« Ηλεκτρικό ΡΕΥΜΑ».

ΑΙΤΙΕΣ και ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Κάθε φαινόμενο συνδέεται λογικά με ορισμένη ΑΙΤΙΑ. Το ίδιο το φαινόμενο είναι το ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ.

Σε καθένα από τα τρία «ΡΕΥΜΑΤΑ», οι φυσικοί αποδίδουν μια διαφορετική ΑΙΤΙΑ .

Πρόκειται για τρεις διαφορετικές ΑΙΤΙΕΣ αδικημένες από τον τρόπο που τις παρουσιάζουμε στη Φυσική. Καθεμιά από τις τρεις αυτές ΑΙΤΙΕΣ είναι μια εμφανιζόμενη ΔΙΑΦΟΡΑ στις τιμές κάποιας ποσότητας.

Η πρώτη από τις τρεις ΑΙΤΙΕΣ είναι μια ΔΙΑΦΟΡΑ στις τιμές της ΠΙΕΣΗΣ ενός ρευστού – μιας οριζόντιας φλέβας - για την οποία «διαφορά» οι φυσικοί του 18^ου αιώνα υποστήριξαν ότι έχει ως ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ – κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις – τη ΡΟΗ αέρα ή και νερού, με άλλα λόγια ένα οριζόντιο ρεύμα αέρα ή νερού.

Το οριζόντιο ανεμάκι και το νερό που κυλάει σε οριζόντιο έδαφος έχουν ως ΑΙΤΙΑ μια διαφορά πιέσεων

Η δεύτερη ΑΙΤΙΑ είναι μια ΔΙΑΦΟΡΑ στις τιμές της ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ δύο σημείων υλικού μέσου και το ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ της είναι η ΡΟΗ ενός αόρατου πράγματος το οποίο οι φυσικοί του 19^ου αιώνα – ύστερα από νοητικές και εμπειρικές διεργασίες δεκαετιών - «είδαν» ότι είναι μορφή μεταβιβαζόμενης ενέργειας την οποία ονόμασαν ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Η τρίτη ΑΙΤΙΑ είναι μια ΔΙΑΦΟΡΑ στις τιμές των ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και

το ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ της – κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις – είναι η ΡΟΗ ηλεκτρικού φορτίου στην οποία οι φυσικοί του 19^ου αιώνα «είδαν» την «κίνηση σωματιδίων με φορτίο» και το ηλεκτρικό ρεύμα.

1. ΑΝΕΜΑΚΙΑ και ΠΟΤΑΜΟΙ

Φανταζόμαστε ακίνητο αέρα σε μια περιοχή και υποθέτουμε ότι επικρατεί θερμοδυναμική ισορροπία. Αν σε κάποια χρονική στιγμή, σε δύο σημεία του αέρα, ευρισκόμενα στο ίδιο ύψος, δημιουργηθούν για οποιονδήποτε λόγο δύο διαφορετικές μεταξύ τους πιέσεις, η Φυσική προβλέπει ότι θα «φυσήξει», θα μετακινηθεί αέρια μάζα και μάλιστα με συγκεκριμένη κατεύθυνση, από το σημείο με τη μεγάλη πίεση προς το σημείο με τη μικρή.

Και αυτό τελικά συμβαίνει. «Φυσάει». Αν μάλιστα το σημείο με τη μεγάλη πίεση είναι προς το μέρος του βορρά οι άνθρωποι δίνουν στο ανεμάκι το όνομα «βοριάς».

Με ανάλογο τρόπο ένα οποιοδήποτε οριζόντιο ρεύμα σε θάλασσα σε λίμνη, σε ποταμό ή σε σωλήνες παροχής νερού έχει ως ΑΙΤΙΑ κάποια διαφορά πιέσεων.

Ίσως όμως ορισμένα σημεία χρειάζεται να φωτιστούν περισσότερο

α. Στην περιγραφή μας αυτή τονίστηκε ιδιαίτερα ότι «τα δύο σημεία του ρευστού στα οποία μετρούμε την πίεση βρίσκονται στο ίδιο υψόμετρο». Αυτό το κάναμε διότι σε ακίνητο υγρό στο πεδίο βαρύτητας η πίεση χαμηλά είναι μεγαλύτερη από την πίεση σε ένα σημείο ψηλότερα. Η διαφορά αυτή – αναφέρεται και ως υδροστατική πίεση- δεν συνιστά αιτία για ροή, αντίθετα όταν έχει ορισμένη τιμή περιγράφει την ισορροπία του υγρού. Το ίδιο ισχύει και για τα αέρια.

β. Σε ένα ποτάμι σταθερής διατομής μολονότι ρέει το νερό οι πιέσεις δύο σημείων ίδιου βάθους δεν διαφέρουν, σύμφωνα και με τον νόμο Bernoulli.

Η αιτία όμως που το κάποτε ακίνητο αυτό νερό «ξεκίνησε» να ρέει είναι κάποια διαφορά πιέσεων που εκδηλώθηκε πιθανώς γιατί η πηγή βρισκόταν σε κάποιο υψόμετρο και τώρα το νερό ρέει αδρανειακά.

Είναι όπως μια μπίλια που αφήνουμε από την κορυφή λείου κεκλιμένου επιπέδου και εκείνη κινείται προς μικρότερες τιμές δυναμικής ενέργειας. Θα ξεκινήσει να κινείται προς τα κάτω διότι εκεί, στο υψόμετρο, έχει μεγαλύτερη δυναμική ενέργεια, με άλλα λόγια επειδή βρίσκεται σε σημείο του πεδίου βαρύτητας με μεγαλύτερο δυναμικό. Όταν όμως φθάσει στη βάση και συνεχίσει να κινείται – σε έδαφος χωρίς τριβή – με σταθερή ταχύτητα, θα κινείται αδρανειακά και η τιμή της δυναμικής της ενέργειας θα είναι σταθερή. Με απλά λόγια η διαφορά πιέσεων είναι προϋπόθεση για να συμβεί ροή σε ακίνητο ρευστό, όπως μία ασκούμενη δύναμη είναι προϋπόθεση για να ξεκινήσει ένα ακίνητο σώμα ενώ δεν είναι αναγκαία δε μια αδρανειακή του κίνηση.

γ. Οι κινήσεις αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα έχουν ως αιτία τη διαφορά πιέσεων μόνο εφόσον είναι οριζόντιες. Μια άλλη αιτία που μπορεί να δημιουργήσει κατακόρυφη κίνηση προς τα πάνω είναι η αυξημένη θερμοκρασία σε χαμηλότερα στρώματα. Αν μία αέρια ποσότητα βρίσκεται χαμηλά και θερμανθεί - σε σχέση με το περιβάλλον της- κινείται προς τα άνω γιατί με τη θέρμανση ελαττώνεται η πυκνότητά της και δημιουργείται άνωση μεγαλύτερη από το βάρος της. Η συνέπεια βέβαια είναι ότι στην περιοχή που βρισκόταν η απουσία της δημιουργείται μικρότερη πίεση ( βαρομετρικό χαμηλό ) και – λόγω της διαφοράς πιέσεων - θα προκληθεί άνεμος προς αυτή από τις άλλες περιοχές όπου η πίεση θα είναι υψηλότερη.

Οι δύο συνεπώς αιτίες i. διαφορά πιέσεων και ii. αύξηση της θερμοκρασίας των χαμηλών στρωμάτων είναι στο επίκεντρο των μοντέλων για την ιδιαίτερα δύσκολη περιγραφή της συμπεριφοράς της ατμόσφαιρας

2. ΚΑΝΕΙ ΚΡΥΟ

Για πολλές δεκαετίες στη διάρκεια του 18^ου αιώνα η Θερμότητα ήταν ένα αόρατο αβαρές υλικό ρευστό το οποίο ρέει από ένα ζεστό σώμα σε ένα άλλο σώμα λιγότερο ζεστό. Όλοι οι μεγάλοι ερευνητές του αιώνα ανάμεσά του και ο Antoine Lavoisier είχαν υιοθετήσει την ιδέα αυτή ας μην ξεχνάμε όμως ότι τον 18^ου αιώνα η έννοια ΕΝΕΡΓΕΙΑ δεν έχει εμφανιστεί . Οι πρώτες ρωγμές στην αναντίρρητη αυτή βεβαιότητα εκδηλώθηκαν στα τέλη του 18^ου αιώνα αλλά η ανατροπή της συνδέθηκε με την εξάπλωση της ατμομηχανής και ιδιαίτερα με τις έρευνες θεωρητικών, όπως ο Sadi Carnot σχετικά με τη λειτουργία της.

Η επόμενη ιδέα την οποία υιοθετούμε και σήμερα εδραιώθηκε στα μέσα του 19^ου αιώνα. Πρόκειται για τη ιδέα ότι αυτό το «κάτι» το οποίο ΡΕΕΙ από ένα ζεστό σώμα σε ένα λιγότερο ζεστό είναι μορφή ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, η οποία, στη γλώσσα της φυσικής, λέγεται ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ.

Πριν ακόμα εδραιωθεί η ιδέα «θερμότητα = μεταβιβαζόμενη ενέργεια», το έτος δηλαδή 1822, ο Γάλλος Joseph Fourier έδωσε μια πειστική απάντηση στο ερώτημα « από τι εξαρτάται ο ρυθμός με τον οποίο συντελείται η ροή ;». Υποστήριξε πειστικά ότι ο ρυθμός αυτός – σε γλώσσα μεταγενέστερη το «πόσα τζάουλ ρέουν κάθε δευτερόλεπτο» - εξαρτάται α. από τη ΔΙΑΦΟΡΑ των δύο ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ β. από γεωμετρικά στοιχεία του σώματος στο οποίο γίνεται η ροή , την επιφάνειά του και το πάχος του , και γ. από τη φύση του υλικού. Για περιγραφεί ποσοτικά η εξάρτηση της ροής από το υλικό πρότεινε την έννοια/ποσότητα θερμική αγωγιμότητα η τιμή της οποία για κάθε υλικό είναι διαφορετική

Η εμπειρία είχε στο μεταξύ διδάξει ότι υπάρχουν υλικά σώματα , τα λεγόμενα και θερμομονωτικά όπως ο αέρας, τα οποία δυσκολεύουν ιδιαίτερα τη ροή.

Η εργασία του θα επηρεάσει τον Γερμανό Ohm στο να διατυπώσει, 5 χρόνια αργότερα, μια παρόμοια απάντηση στο ερώτημα για τη ΡΟΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΣΤΟΥ.

Το ανθρώπινο σώμα με συνήθη θερμοκρασία 37 βαθμών Κελσίου μεταβιβάζει θερμότητα στο περιβάλλον και ο ρυθμός με τον οποία συμβαίνει αυτό δημιουργεί τις διάφορες διαβαθμίσεις του «κρυώνω». Όταν αγγίξουμε ένα μαρμάρινο σκαλοπάτι θερμοκρασίας 20 βαθμών νιώθουμε το χέρι μας να κρυώνει περισσότερο από το να αγγίξουμε το ξύλινο πάτωμα της ίδια θερμοκρασίας κι αυτό γιατί το μάρμαρο έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας από το ξύλο. Αν πάλι πλησιάσουμε το μαρμάρινο σκαλοπάτι χωρίς να το αγγίξουμε δεν νιώθουμε κρύο γιατί ο αέρας είναι ΚΑΛΟΣ ΜΟΝΩΤΗΣ. Φοράμε ρούχα και δεν κρυώνουμε γιατί τα ρούχα παγιδεύουν αέρα, όπως συμβαίνει και με το τρίχωμα της γάτας ή και με τη γούνα της αρκούδας. Τόσο η γάτα όσο και η αρκούδα προφυλάσσονται από το κρύο γιατί παγιδεύεται αέρας στη γούνα τους.

Όταν φυσάει πολύ, το κορίτσι κρυώνει γιατί το ρεύμα αέρα συνεπάγεται την απόσπαση αέρα από την επιδερμίδα της και την απουσία του ευλογημένου μονωτικού.

Αυτό δεν σημαίνει ότι από το σώμα μας δεν ρέει συνεχώς θερμότητα προς τον αέρα. Ο αέρας είναι καλός μονωτής αλλά όχι βέβαια «αδιαβατικό» τοίχωμα που ΑΠΑΓΟΡΕΥΕΙ ΑΠΟΛΥΤΑ τη ροή. Η συνεχής μάλιστα ροή προς τον αέρα είναι εκείνη που διατηρεί το σώμα στη σχετικά σταθερή θερμοκρασία των 37 βαθμών. Το ανθρώπινο σώμα λόγω των εσωτερικών διεργασιών «παράγει θερμική ενέργεια» γύρω στα 70 τζάουλ ανά τετραγωνικό μέτρο και ανά δευτερόλεπτο και αν εμποδίσουμε αυτή τη ροή, βάφοντας λόγου χάρη έναν άνθρωπο με απόλυτα μονωτική μπογιά, όπως συνέβη με τη συνεργάτιδα του James Bond στον Χρυσοδάκτυλο, το ανθρώπινο σώμα θα ψηθεί.

3. ΑΝΑΒΕΙ ΤΟ ΦΩΣ

Όταν οι φυσικοί του 18^ου αιώνα αναρωτήθηκαν τι είναι το ηλεκτρικό εκείνο «κάτι» που δημιουργούσαν με μια ηλεκτροστατική μηχανή ή αποθήκευαν σε μια φιάλη του Leyden – αργότερα θα ονομαστεί «πυκνωτής» - η πρώτη ιδέα που κυριάρχησε ήταν εκείνη του Benjamin Franklin, γύρω στα 1750, σύμφωνα με την οποία στη φύση ΥΠΑΡΧΕΙ ένα «αόρατο αβαρές ηλεκτρικό ΡΕΥΣΤΟ» κι όταν τρίβουμε το γυάλινο ραβδί με μεταξωτό ύφασμα ορισμένη ποσότητα του ρευστού αυτού ΡΕΕΙ από το γυαλί προς το ύφασμα.

Τον ίδιο αυτό αιώνα είχε εδραιωθεί και η διάκριση των υλικών σε «καλούς» αγωγούς και σε «κακούς» αγωγούς, ή με άλλα λόγια «μονωτικά» τα οποία δεν επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού ρευστού. Πέντε περίπου δεκαετίες αργότερα, το 1804, ο Alessando Volta επινόησε την περίφημη στήλη, τον πρόγονο της μπαταρίας, η οποία όχι μόνο πρόσφερε άφθονο ηλεκτρικό ρευστό αλλά μπορούσε να ανάψει και ένα λαμπάκι.

Στο μεταξύ, χωρίς να έχει δοθεί μια πειστική απάντηση στο «τι ακριβώς είναι το ηλεκτρικό ρευστό» είχαν ήδη επινοηθεί οι έννοιες ηλεκτρικό φορτίο, πεδίο και διαφορά δυναμικού και το 1827 ο Γερμανός George Simon Ohm επηρεασμένος από τον Fourier έδωσε την απάντηση στο ερώτημα « από τι εξαρτάται ο ρυθμός ροής». Έδειξε πειραματικά ότι ο ρυθμός αυτός εξαρτάται από στοιχεία παρόμοια με εκείνα που είχε διακρίνει ο Fourier για τη ροή του θερμικού ρευστού με τη διαφορά ότι στη θέση της έννοια διαφορά θερμοκρασίας εκείνος πρότεινε τη ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ.

Τα γεωμετρικά στοιχεία του αγωγού, το υλικό του αγωγού και η ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ καθόριζαν την «ανά μονάδα χρόνου διακινούμενη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου». Αυτό το τελευταίο θα ονομαστεί και «ένταση ηλεκτρικού ρεύματος». Για περιγραφεί ποσοτικά η εξάρτηση της ροής από το υλικό προτάθηκε η έννοια ηλεκτρική αγωγιμότητα, το αντίστροφο της οποίας είναι η ειδική αντίσταση. Όποια όμως και να είναι τα γεωμετρικά στοιχεία και η αγωγιμότητα του υλικού η ροή δεν θα συμβεί εάν δεν υπάρχει κάποια ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ και διαφορά δυναμικού μπορούσε να βρει κανείς σε πυκνωτές σε στήλες όπως εκείνη του Volta και μερικές δεκαετίες αργότερα σε γεννήτριες.

Το ακριβές όμως σημαινόμενο της έννοιας «διαφορά δυναμικού’ αποσαφηνίστηκε μόνο όταν συνδέθηκε με την έννοια ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Σήμερα λέμε ότι αν ένας λαμπτήρας συνδεθεί σε δίκτυο των 220 βολτ θα μεταβιβάζονται στο νήμα του 220 τζάουλ σε κάθε κουλόμ σε κάθε δηλαδή μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Στο μεταξύ είχε εδραιωθεί και η ιδιαίτερη σημασία της έννοιας «ηλεκτρεγερτική δύναμη κυκλώματος». Σχετίστηκε και αυτή με την έννοια «μεταβιβαζόμενη ενέργεια στο σύνολο του κυκλώματος» έτσι ώστε σε τμήμα ενός κυκλώματος εμφανίζεται διαφορά δυναμικού εφόσον υφίσταται στο κύκλωμα υπάρχει ηλεκτρεγερτική δύναμη.

Η ιδέα για το «τι ακριβώς είναι το ηλεκτρικό ρευστό» άργησε έναν περίπου αιώνα μέχρι να εμφανιστεί. Μόνο στα τέλη του 19^ου αιώνα οι ιδέες για την ύπαρξη ατόμων και οι έρευνες που είχαν προηγηθεί σχετικά με το αίνιγμα των καθοδικών ακτίνων, με πρωταγωνιστές Άγγλους και Γερμανούς, έφεραν στο προσκήνιο της ιστορίας της επιστήμης την ιδέα αλλά και την πειραματική τεκμηρίωση ότι στα σπλάχνα κάθε ατόμου ότι υπάρχει ένα φοβερό πιτσιρίκι που λέγεται ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ. Ακολούθησε η συγκρότηση μιας θεωρίας για ύπαρξη ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ στα μέταλλα και η άποψη ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στους μεταλλικούς αγωγούς είναι , σε επίπεδο Μικρόκοσμου, κατευθυνόμενη κίνηση ηλεκτρονίων.

Όταν η κοπέλα έκλεισε το διακόπτη, το φως άναψε διότι

το σύρμα του λαμπτήρα ανήκε πλέον σε κλειστό κύκλωμα με αγώγιμα υλικά,

το ίδιο διέθετε ελεύθερα ηλεκτρόνια και

στα άκρα του εφαρμόστηκε ΔΙΑΦΟΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ.

..

.

.