Prečo má Rudolf červený nos Existujú špekulácie o desiatkach, ale pravda je len jedna - DOPAD

Prečo má Rudolf červený nos - definitívne špekulácie

V tomto ročnom období je prakticky nemožné vyhnúť sa vypočutiu piesne „Rudolph the Red-Nosed Sob“, emotívneho príbehu arktického bylinožravca, ktorého nos vyžaruje červené svetlo. Môže to znieť nejasne príšerne, ale pieseň má šťastný koniec.

Prečo má Rudolf červený nos - definitívne špekulácie

„Rudolf s tak jasným nosom,

Nebudete dnes večer viesť moje sane? „

Tento príbeh teraz vyvoláva najrôznejšie otázky. Existuje však dobrý uhol pohľadu na fyziku, konkrétne prečo má špecificky začervenaný nos? V konkrétnom scenári, ktorý je tu popísaný, je skôr výhodou mať červený nos, ako napríklad modrý alebo zelený.?

Trochu fyzickej vianočnej mágie

Teraz si asi myslíte: „Idiot, je to len pieseň. Je „červený“, pretože lepšie skenuje. ““ Ale v skutočnosti existuje dobrý dôvod, aby sa pevná fyzika domnievala, že červený nos môže byť lepšou voľbou, ktorá povedie cestu cez vianočnú noc. Súvisí to aj s fyzikou modrej oblohy a farebných západov slnka a s našim porozumením toho, že všetci sledujeme určitý kúsok fyzickej vianočnej mágie známej ako „dimenzionálna analýza“.

Hmla je, ako iste viete, nepochybne obrovská zbierka malých kvapiek vody suspendovaných vo vzduchu. Jednotlivé kvapky sú prakticky neviditeľné, ale súhrnne majú veľký vplyv na prenos svetla vzduchom, čo sťažuje videnie veľmi ďaleko. Hmla nielen tlmí svetlo, ktoré k nám prichádza zo vzdialených zdrojov (napríklad svetlá školských autobusov), ale aj dodáva veľa šumu tomu, čo vidíme, rozptyľuje svetlo z blízkych zdrojov. Preto je hmla viditeľným javom, aj keď je dosť ťažké ho efektívne vyfotografovať.

Fyzické vysvetlenie

Jedno z prvých dobrých vysvetlení fyziky, ktoré sa na tom podieľa, pochádza z práce britského fyzika Johna Williama Strutta z roku 1871, v histórii známejšieho ako Lord Rayleigh. V článku „Na svetle na oblohe, jeho polarizácii a farbe“ ponúka Rayleigh argument, prečo sa obloha javí ako modrá, keď sa pozerá na rozptyl svetla mikroskopickými časticami v atmosfére. Rayleigh ukazuje jednoduchým a silným argumentom, že také častice oveľa pravdepodobnejšie rozptýlia modré svetlo ako červené svetlo. Argument je v skutočnosti taký jednoduchý, že nevyžaduje vôbec nijaké znalosti o časticiach samotných ani o detailoch ich interakcie so svetlom - potrebujete len vedieť, že sú veľmi malé.

Rayleighov argument beží prakticky takto: keď vieme, že svetlo je elektromagnetické vlnenie, môžeme myslieť na svetlo rozptýlené jednou malou časticou v zmysle prichádzajúceho svetelného lúča a rozptýleného svetelného poľa. To, čo nás skutočne zaujíma, je intenzita svetla rozptýleného v určitej vzdialenosti od častice a pohodlne existuje iba niekoľko fyzikálnych parametrov, ktoré to môžu ovplyvniť: intenzita prichádzajúceho svetla, veľkosť častice, zloženie častice. môžeme opísať indexom lomu), vlnovou dĺžkou svetla a vzdialenosťou od častice k miestu, kde meriame výstupné pole.

Čím jasnejšie je svetlo, tým viac svetla môže vyžarovať

Teraz je zrejmé, že výstupná intenzita musí byť proporcionálna k vstupnej intenzite - čím jasnejšie je svetlo, tým viac svetla môže von - takže sa dá ľahko spočítať. A Rayleigh poukázal na to, že pre časticu menšiu ako vlnová dĺžka svetla zažíva každý kúsok častice úplne rovnaké vstupné elektromagnetické pole a ako odpoveď by malo produkovať rovnaké výstupné pole. Všetky tieto výstupné vlny sa pridajú hladko, takže rozptýlené pole by malo byť úmerné objemu častice - čím je väčšie, tým viac vecí je rozptýlených a silnejšie pole vyjde. Intenzita svetla je druhá mocnina poľa, takže rozptýlená intenzita by mala závisieť od druhej mocniny objemu.

Postará sa o dva z piatich parametrov, ktoré by sa mohli pri výpočte šírenia počítať - odolnosť voči dopadajúcemu poľu a veľkosť častíc. Zo základných fyzikálnych princípov tiež vieme, že výstupná intenzita musí klesať so vzdialenosťou podľa zákona obrátených štvorcov. Toto je prakticky argument na zachovanie energie: celková energia vo výstupnom svetle v určitej vzdialenosti od častíc je iba intenzita v tejto vzdialenosti vynásobená oblasťou gule s týmto polomerom sústredeným na častice. Ak zväčšíte vzdialenosť, plocha sa zväčšuje so štvorcom polomeru, ale celková energia sa nemôže meniť, čo znamená, že intenzita musí klesať o rovnaký faktor.

Rayleigh - asi päť parametrov

Toto sú tri z piatich možných parametrov, ktoré by sa mohli zdať beznádejné. Rayleigh ale poukázal na to, že zvyšné dva parametre sa merajú vo veľmi odlišných jednotkách. Vlnová dĺžka svetla má (samozrejme) jednotky dĺžky, ale zloženie častice nemôže závisieť od jej veľkosti, takže index lomu, ktorý používame na jej opis, nemôže obsahovať jednotky dĺžky. Čo znamená, že sa môžeme pozrieť na to, čo vieme, a pomocou toho zistíme, ako rozptýlené svetlo závisí od vlnovej dĺžky.

Vieme teda, že pomer výstupnej intenzity k vstupnej intenzite nemôže mať žiadne jednotky (pretože je to len zlomok) a tiež dve veci, ktoré sme určili vyššie:

Musí závisieť od štvorca objemu (meraného v štvorcových metroch kubických, čo je šesť metrov na mocninu šesť) a
Musí ísť dole ako štvorec vzdialenosti (metre štvorcové). Takže jednotky v správe pred počítaním vlnovej dĺžky vyzerajú takto (metre) 6/(metre) 2 (niečo spoločné s vlnovou dĺžkou) = (metre) 4 (niečo spoločné s vlnovou dĺžkou) . Potrebujeme zrušenie všetkých jednotiek, takže „(niečo spoločné s vlnovou dĺžkou)“ musí byť „1/(vlnová dĺžka) 4“. Podľa Rayleighovho argumentu potom musí intenzita rozptýleného svetla závisieť od sily nad štvrtou silou vlnovej dĺžky.

Rayleighov argument získava správnu závislosť od vlnovej dĺžky

Nevieme, ako to závisí od zloženia častíc (je to trochu komplikované, ako sa ukázalo), ale krása je v tom, že nemusíte. Rayleighov argument získava správnu závislosť na vlnovej dĺžke, ktorá nás tu skutočne zaujíma, a robí to tak jednoduchým a mocným spôsobom, že sa to zdá takmer magické.

Tento typ dimenzionálnej analýzy je mocným nástrojom na premýšľanie o fyzike a Rayleighov rozptyl je jedným z najlepších príkladov jej použitia.

Čo s tým má sob sob neónový?

Červené svetlo je na konci vlnovej dĺžky viditeľného spektra s vlnovou dĺžkou asi 600 nanometrov. Inverzná závislosť štvrtej sily Rayleighovho rozptylu znamená, že očakávame, že malé častice rozptýlia niečo viac ako päťkrát viac modrého ako červeného svetla; to zase znamená, že červené svetlo by malo cestovať päťkrát dlhšie ako modré svetlo (vlnová dĺžka asi 400 nanometrov) vzduchom s malými časticami v suspenzii.

Rayleigh teraz písal svoje práce mnoho rokov predtým, ako bol sob Rudolfa červeného nosa vynájdený ako marketingový trik pre Macyho, takže na to fyzicky nemyslel. Skôr myslel na farbu oblohy - modrá farba, ktorú vidíme, keď sa pozrieme na pekný deň, je iba slnečné svetlo rozptýlené drobnými časticami suspendovanými v atmosfére, ktoré rozptyľujú oveľa viac modrého svetla ako červeného. To je tiež dôvod, prečo pre nás slnko zapadá do červena - pri západe slnka prechádza slnečné svetlo omnoho viac atmosféry a všetok vzduch navyše rozptyľuje modré svetlo po častiach. Západy slnka vyzerajú červeno, pretože na to, aby sa obloha na modrej pre ľudí na našom západe zmenila na modrú, sa použili kratšie vlnové dĺžky slnka.

Rudolfov jasne červený nos vedie na Štedrý večer Santove sane

Ale píšeme sem hlúpy vianočný príspevok, takže môžeme použiť rovnaké základné úvahy a vymyslieť najlepší spôsob, ako viesť Santove sane. A argument lorda Rayleigha z roku 1871 naznačuje, že vzhľadom na stádo lietajúcich sobov, ktorých nos vydáva rôzne farby svetla, najlepšou možnosťou pre jazdu na hmlistú vianočnú noc hravou rýchlosťou by bol ten, ktorého nos jasne červená.

Tak sa sob Rudolf Rudovlasý zapisuje do histórie, zatiaľ čo Ernest modrošedý Renne leňoší v tme.