Seriál: Zajímavá fyzika
S pozoruhodnými fyzikálními jevy se setkáváme doslova na každém kroku. S přibývajícím věkem nás jen většinou přestávají fascinovat. I tak ale člověka občas napadne položit si zdánlivě banální otázky, jako proč vržou dveře nebo co drží mýdlové bubliny pohromadě. Seriál Zajímavá fyzika, který tímto číslem začínáme, se bude snažit některé z takových dotazů zodpovědět a ukázat, že fyzika má blízký vztah ke každodennímu životu a může obohatit nás pohled na svět.
V prvním díle si vysvětlíme běžný, ale velice zajímavý úkaz: Proč v létě někdy vidíme na rozpálené silnici jakoby rozlitou vodu? Jedná se o tzv. zrcadlení, při kterém se silnice chová jako zrcadlo a paprsky přicházející z oblohy „odrážejí“ zpátky vzhůru, do našeho oka. Začněme ale popořádku.
Jsou paprsky světla přímé?
Myslíte, že světelné paprsky jsou vždy přímé? Je dobře známo, že ne. Tak například dopadne-li světlo na rozhraní vzduchu a vody, náhle změní směr – říkáme, že se zlomí. Tento lom světla je způsoben rozdílnou rychlostí šíření světla ve vzduchu a ve vodě. Čím více se obě rychlosti liší, tím je lom silnější. Matematicky se schopnost lámat světlo vyjadřuje tzv. indexem lomu, což je poměr rychlosti světla ve vakuu a v daném prostředí. Většina běžných látek má index lomu někde mezi jedničkou a dvojkou, vyšší index je spíše výjimkou.
Ohyb světla
Někdy se může stát, že se rychlost světla mění od místa k místu postupně, spojitě, a nikoli naráz, jako tomu bylo u rozhraní vzduch – voda. Pak paprsek nezmění svůj směr náhle, ale postupně – to znamená, že se nezlomí, ale ohne.
Tím se dostáváme k oné silnici. Svítí-li na ni v létě sluníčko, rozpálí ji na mnohem vyšší teplotu, než má okolní vzduch. Od silnice se pak zahřeje vzduch bezprostředně nad ní a tím vznikne vrstvička horkého vzduchu, který je trošku řidší než vzduch o něco výše. Pro vzduch podobně jako pro jiné plyny platí, že čím je řidší, tím rychleji se v něm světlo šíří. Světlo proto letí nepatrně rychleji v přízemní horké vrstvičce vzduchu než ve vyšších vrstvách. Následkem toho, jak si hned ukážeme, se paprsek ohne směrem vzhůru.
Světlo se chová jako vlnění a v mnoha ohledech se podobá třeba vlnám na vodě. Kousek jedné takové vlny, či přesněji řečeno vlnoplochy, si můžeme představit jako jakousi „činku“. Vlna postupuje vždy kolmo na směr tyčky činky a každý konec činky běží rychlostí světla v tom místě, kde se právě nachází. Představme si nyní činku, která letí vodorovně těsně nad silnicí (viz obrázek 1), takže její tyčka míří svisle. Spodní konec činky se pohybuje poněkud rychleji než konec horní, neboť vzduch blíže silnici je řidší, a trochu proto předbíhá horní konec. Po chvíli už tyčka činky nebude svislá jak původně, ale zešikmená. Díky tomu se změní i směr pohybu činky, který musí být stále kolmý na tyčku – bude mířit vzhůru. Vidíme tedy, že paprsek, který letěl původně vodorovně, najednou letí šikmo vzhůru.
Přichází-li nyní paprsek světla z oblohy a pod malým úhlem se blíží k silnici (viz obrázek 2), může dojít k jeho ohybu právě popsaným způsobem, takže se nakonec paprsek obrátí vzhůru a může dopadnout do našeho oka. Pak uvidíme světlo z oblohy přicházet ze směru od silnice – úplně stejně, jako kdyby se světlo odráželo např. na hladině vody rozlité na silnici – a ta se nám jeví jakoby politá vodou. Tomu se říká zrcadlení a dá se pozorovat v létě každý slunečný den.
Fata morgana
Se zrcadlením úzce souvisí známá fata morgana, při níž se kombinuje zrcadlení od země a od vrstvy horkého vzduchu výše nad zemí. Světlo se tak může šířit na stakilometrové vzdálenosti podél zakřiveného zemského povrchu a přenést obraz nějakého města nebo ostrova do míst, kde by vůbec neměl být vidět.
Tetelení vzduchu nad ohněm
Jiným příkladem prostředí, kde se index lomu mění spojitě, je plamen ohně. Zde teplota vzduchu nepravidelně kolísá v prostoru i čase a paprsky se složitým způsobem ohýbají. Výsledkem je známé tetelení vzduchu, při němž se předměty za plamenem jakoby vlní. To jistě každý u táborového ohně už někdy pozoroval.
teoretický fyzik
