10 curiozitaţi din fizică şi lucruri ciudate

Fizica pentru mulţi a fost un obiect de temut, dar odată cu vârsta înţelegi cât de interesantă şi diversă este. Această disciplină este probabil una din cele mai importante şi misterioase din ştiinţă, ea încearcă să lămurească toate procesele care se petrec în natură şi în univers, proprietăţile şi structura materiei, formele de mişcare a acesteia, precum şi transformările reciproce. Aşa că putem remarca numeroase curiozităţi din fizică.

Cred că fizica este una din cele mai importante ştiinţe ale naturii, prin intermediu ei se explică multe fenomene întâlnite şi în alte ştiinţe aşa ca chimia şi biologia. Fizica este un compartiment unde imaginaţia joacă un rol important în cunoaşterea proceselor din natura care ne înconjoară, cum spunea Einstein:

Imaginaţia este mai importantă ca cunoştinţele.

Desigur în Fizică încă sunt multe goluri şi lucruri ciudate care nu au o lămurire, dar anume acest fapt face această disciplină atât de interesantă.

Şi mai jos am selectat unele dintre lucrurile incredibil de interesante din fizică.

10. Timpul se opreşte la viteza luminii

Aşa dar prima curiozitate din fizică – Conform Teorii Relativităţii a lui Einstein, viteza luminii nu se poate niciodată schimba – ea este întodeauna egală cu aproximativ 300 000 000 metre/secundă, indiferent de observator. Acest lucru singur în sine este destul de incredibil, luând în considerare că nimic nu se poate mişca mai repede ca lumina, dar acestea sunt încă lucruri destul de teoretice. Partea într-adevăr incredibilă a Teoriei Relativităţii este fenomenul numit dilatarea temporală care prevede că, cu cât mai repede te mişti cu atât mai lent trece timpul relativ cu mediul din jur. Adică, dacă te duci la o plimbare cu maşina pentru o oră veţi fi mai puţin în vârstă decât dacă aţi petrece acest timp în faţa calculatorului. Nanosecundele suplimentare obţinute posibil nu vor suplini preţul plătit pentru combustibil, dar în orce caz, este o opţiune.

Desigur, timpul nu poate încetini aşa de simţitor, formula va funcţiona dacă vă veţi mişca cu viteza luminii, în acest caz timpul nu se va mişca de fel. Dar nu face să nădăjduiţi că utilizând această metodă veţi putea deveni nemuritor din unicul motiv pe care l-am menţionat mai sus, nimic nu se poate deplasa mai rapid ca lumina, numai dacă nu sunteţi făcut din lumină. Tehnic vorbind pentru a ajunge la o aşa viteză este nevoie de o cantitate infinită de energie.

9. Încurcătura cuantică 

Mai sus am rămas de acord că nimic nu se poate mişca mai repede ca lumina. Ei bine, şi da şi nu. Deşi din punct de vedere tehnic este încă adevărat, cel puţin în teorie, se pare că există o portiţă de găsit în ramura uimitoare a fizicii numită, mecanica cuantică.

Mecanica cuantică în esenţă este studiul fizicii la nivel microscopic, aşa ca comportamentul particulelor la nivel subatomic. Aceste tipuri de particule sunt imposibil de mici, dar foarte importante, deoarece ele constituie blocurile de construcție a tot ce este în univers. Să lăsăm detaliile tehnice deoparte, ele sunt destul de complicate, vi le puteți imagina aceste particule ca mici biluțe încărcate cu sarcină electrică care se rotesc (proces denumit în mecanica cuantică ca, spin, ceva asemănător cu rotirea planetelor în jurul axilelor lor).

Deci să presupunem că avem doi electroni (particule subatomice cu sarcină negativă). Entanglement – ul cuantic este procesul special care implică împerecherea acestor particule în aşa fel încât ele să devină identice (biluţe cu acelaş spin şi sarcină electrică). Aşadar, în clipa când asta se întâmplă lucrurile devin ciudate – pentru că de acum înainte aceşti electroni rămân identici. Asta înseamnă dacă schimbi unul din ei, să spunem schimbăm direcţia de rotire (spin – ul) în cea opusă, geamănul său reacţionează în acelaş fel, imediat, indiferent de unde se află acestă particulă (despărţită spaţial, poate să fie în loc total diferit), fără măcar să te atingi de ea.

Implicaţiile acestui proces sunt imense, şi anume, asta înseamnă că informaţia (în acest caz direcţia spin – ului) poate fi în esenţă teleportată în orce parte a universului.

8. Lumina este afectată de gravitaţie – curiozitaţi din fizică

Să ne întoarcem pentru o clipă iaraşi la Teoria Generală a Relativităţii a lui Einstein. Aceasta implică concepţia aşa numitei devieri a luminii, care înseamnă că – calea fasciculului de lumină nu este în întregime dreaptă.

Sună ciudat, dar a fost dovedit deja în mod repetat. Cea ce înseamnă, că chiar dacă lumina nu are nici o masă, calea sa este afectată de obiectele care o au – aşa ca soarele spre exemplu. Deci dacă o rază de lumină de la o stea îndepărtată va trece destul de aproape de soare, ea se va îndoi uşor în jurul lui.

Efectul asupra unui observator, aşa ca noi, este că vom vedea steaua într-un loc diferit decât ea este situată la moment (la fel cum peştele în lac nu e niciodată în locul unde pare a fi să fie). Amintiţi-vă de acest fapt data viitoare când o să vă uitaţi la stele – totul ar putea fi doar un truc al luminii.

7. Materia întunecată

Datorită unor teorii menţionate mai sus (şi multor alte nemenţionate), fizicienii au unele metode destul de precise de a măsura masa toatală prezentă în univers. Ei de asemenea au metode destul de precise de măsurare a masei totale pe care o putem observa şi iată întorsătura, cele două numere nu se potrivesc.

De fapt, masa totală a universului este mult mai mare decât masa pe care o putem pune în cont, adică materia care o putem vedea. Fizicienii au fost nevoiţi să dea o explicaţie acestui lucru şi teoria de bază a impus introducerea aşa numitei materii întunecate, substanţă misterioasă care nu emană şi nici nu absoarbe lumina şi prezintă aproximativ 95% din masa universului. În timp ce ea încă nu a fost dovedită oficial că există (deoarece ea nu poate fi văzută), materia întunecată este susţinută de mii de probe şi trebu să existe sub o formă sau alta pentru a explica universul.

6. Universul nostru se extinde rapid

Iată aici lucrurile devin într-adevăr ciudate şi pentru a le înţelege, va fi nevoie să ne întoarcem înapoi la Teoria Marei Explozii (Big Bang). Teoria Marei Explozii este la momentul actual explicaţia de bază recunoscută a originii universului.

Folosind o anlogie cât mai simplă posibil, totul sa petrecut cam în aşa fel: universul nostru sa început de la o explozie. Rămăşiţele (Planetele, Stelele, etc.) au fost aruncate în toate direcţiile împinse de energia enormă creată în urma exploziei. Din cauza că aceste rămăşiţe sunt atăt de grele și ca urmare afectate de gravitaţia din spatele lor, ne-am aşteapta ca această explozie să încetinească după un anumit timp.

Dar nu a fost să fie. În realitate, extinderea universului nostru devine de fapt tot mai rapidă cu timpul, care este la fel de nebunesc ca şi în cazul în care ai arunca o minge care va lua o viteză tot mai rapidă şi mai rapidă în loc să cadă la pământ. Aceasta înseamnă că spaţiul este în continuă creştere. Unica modalitate de a explica acest lucru, este materia întunecată sau mai precis enregia întunecată, care este forţa motrice în spatele acestei acceleraţii cosmice. Deci ce, în lume mai este şi energie întunecată, vă veţi întreba voi? Ei bine acesta este un alt lucru interesant…

5. Toată materia este doar energie

Într-adevăr materia şi energia sunt doar două feţe a aceleiaşi monede. De fapt, ați știut acest lucru toată viaţa dacă aţi auzit vreodată de formula E=mc2. Unde „E” este enrgia iar „m” reprezintă masa. Cantitatea de energie conţinută într-o cantitate anumită de masă este determinată de factorul de conversie a „c” la pătrat, unde „c” reprezintă viteza luminii în vid.

Explicaţia acestui fenomen este foarte fascinantă şi are de a face cu faptul că masa unui obiect creşte pe măsură ce el se apropie de viteza luminii (chiar dacă timpul se încetineşte). Este totuşi destul de complicat de a lămuri totul în contextul acestui articol, pur şi simplu rămânem la constatarea faptului ca asta este adevărat.

Ca dovadă, din păcate, pot servi bombele atomice care transformă cantităţi foarte mici de substanţă în cantităţi foarte mari de energie.

4. Dualitatea undă – particulă

Vorbim de un lucru care se dovedesc a fi altceva…

La prima vedere, particulele (aşa ca electronii) şi undele (aşa ca lumina) nu mai putea fi atât de diferite. Una dintre ele este o bucată solidă de materie iar celălalt este un fascicul de energie radiantă, cam aşa. Sunt mere şi portocale. Dar aşa cum se dovedeşte, lucrurile precum ar fi lumina şi electroni într-adevăr nu se pot limita doar la o stare de existenţă – ele manifestă calităţi duble, şi de particule şi de unde, totul depinde de observator, adică de cine se uită.

Da asta sună ridicol, dar sunt dovezi concrete care demosntrează că lumina este o undă, şi alte dovezi concrete care demonstrează că lumina este o particulă. Are ambele forme, manifestă proprietăţi a ambelor stări în acelaş timp. Nu există nici o stare intermediară dintre acestea două. Nu vă faceţi griji dacă asta e lipsit de sens, fiindcă ne-am întors în domeniul mecanicii cuantice şi la acest nivel universului oricum nu-i place să fie sens.

3. Toate obiectele cad cu aceeaşi viteză – curiozităţi din fizică clasică

Să mai calmăm un pic spiritele pentru o secundă, fiindcă fizica modernă e destul de voluminoasă pentru a o înghiţi dintr-o dată. Fizica clasică de asemenea poate oferi concepte la fel de stranii.

Veţi fi ertat dacă presupuneţi că obiectele mai grele cad cu o viteză mai mare decât cele mai uşoare – asta sună destul de veridic, în plus noi ştim cu toţii ca mingea de bowling cade mult mai repede ca o pană. Şi acest lucru este adevărat, dar asta nu are nici o legătură cu gravitaţia, singurul motiv din care se întâmplă acest lucru se datorează faptului că atmosfera terestră opune rezistenţă. În realitate, aşa cum a realizat Galileo încă aproape 400 de ani în urmă, gravitaţia acţioneaza la fel pe toate obiectele indiferent de masa lor. Cea ce înseamnă că dacă repetăm acelaş experiment cu pana şi mingea de bowling pe lună (care nu are atmosferă), ele vor atinge solul exact în acelaş timp.

2. Spuma cuantică

Gata cu pauza. Iarăşi curiozităţi din fizică modernă.

Chestiunea se referă la spaţiul gol, care ați crede că este într-adevăr gol. Asta sună ca o presupunere destul de sigură, se conţine în nume la urma urmei. Dar se întâmplă a fi că universul e prea agitat pentru a se împăca cu acest lucru, aceasta este cauza din care particulele în mod constat apar şi dispar peste tot locul. Ele sunt numite particule virtuale, dar puteţi să nu aveţi dubii – ele sunt reale, în orce caz asta indică probele. Ele există doar pentru o fracţiune de secundă, care este suficient de mult pentru a doborî unele legi fundamentale a le fizicii, dar în acelaş timp atât de repede că acest lucru nu contează de fapt (cum ai fura ceva de la un magazin, iar peste o jumatate de secundă ai întors tot înapoi pe raft). Oamenii de ştiinţă au numit acest fenomen „spumă cuantică”, fiindcă aceasta aparent le-a amintit mişcarea haotică a bulelor în spuma formată deasupra băuturilor gazoase.

1. Experimentul de dublă fantă

Dacă vă amintiţi ceva mai sus am afirmat că totul poate fi şi undă şi particulă în acelaş timp. Dar aici e un pic alt lucru, voi ştiţi din experienţa proprie că lucrurile au forme clare, un măr în mâna voastră este un măr, nu ceva ciudat, ca spre exemplu un măr sub formă de unde. Atunci ce face ca ceva să devină definitiv particulă sau undă? După cum se pare, asta noi o facem.

Experimentul dublă fantă este cel mai nebun lucru care l-am enunţat în acest articol, şi funcţionează cam aşa, oamenii de ştiinţă plasează un paravan despărţitor cu două fante (crăpături înguste) în faţa unui perete şi „împuşcă” cu un fascicul de lumină prin fante, astfel ca ei să poată vedea unde a lovit el pe perete. În mod tradiţional, lumina ca fiind o undă se va expune ceva după modelul difracţiei luminii şi veţi vedea o bandă de lumină răspândită pe tot peretele. Asta e implicit, dacă aţi creat experimentul chiar acum asta e anume cea ce veţi vedea.

Dar acesta nu este modul în care ar acţiona particulele la o dublă fantă, ele ar merge direct prin aceste două orifcii şi vor crea două linii pe perete care se potrivesc cu fantele din paravan. Şi dacă lumina este particulă de ce ea nu manifestă această proprietate în locul difracţiei? Răspunsul este că o va face, dar numai în cazul dacă vrem.

Ca o undă, lumina călătoreşte prin ambele fante în acelaş timp, dar ca o particulă, ea poate trece doar prin una. Deci dacă vrem să acţioneze ca o particulă, tot ce avem de făcut, este să instalăm un instrument care va măsura exact prin care fantă trece fiecare particulă a luminii (numită foton). Ceva de tipul unui aparat de fotografiat, dacă el va înregistra fiecare foton care va trece printr-o fantă, apoi acest foton nu va putea trece prin ambele fante, de aceea nu putea fi undă. Ca urmare modelul de interferenţă pe perete nu va apărea – vor fi anume cele două linii. Lumina va acţiona ca o particulă doar pentru că am instalat un aparat de fotografiat în faţă. Vom schimba fizic rezultatul, doar prin măsurarea lui.

În general aceasta se numeşte, Efectul de Observator şi aici voi termina articolul. Însă trebuie să remarc că tot asta e doar vârful aisbergului a tuturor lucrurilor ciudate din fizică, în mare parte majoritatea din cea modernă şi anume mecanica cuantică.

Teoria relativităţii 2

Se ştie teoria relativităţii a lui Einstein, în care dacă un astronaut s-ar urca într-o navă cosmică care merge cu o viteză extrem de mare (apropiată de viteza luminii), timpul pentru el în navă s-ar scurge foarte încet, faţă de timpul de pe Pământ. Dacă, de exemplu, astronautul ar simţi că a trecut doar o zi, pe Pământ e posibil să fi trecut 2.000 de ani!

Dar această teorie nu a fost născocită pentru prima dată de Einstein, ci ea e prezentă în texte antice, vechi de mii de ani! De exemplu, în Mahabhrata, una dintre cele mai importante două epopei ale Indiei antice, scrisă în limba sanscrită şi veche de circa 2.500 de ani, întâlnim povestea regelui Kakudmi. Acesta avea o fiică, pe nume Ravati, care era atât de frumoasă, încât, atunci când a împlinit vârsta măritişului, regele s-a hotărât să facă o călătorie până la “Creator”, adică Brahma, pentru a-i cere un sfat privind un soţ potrivit pentru fiica sa.

Nu se ştie cum a ajuns regele până la “Creatorul” Brahma, dar probabil că a folosit o navă zburătoare extrem de avansată (Vimana). Presupun că acest Brahma era un extraterestru avansat, care trăia pe o altă planetă. Regele i-a prezentat lui Brahma o listă de candidaţi posibili pentru a-i fi soţ fiicei sale. Brahma a râs cu voce tare și i-a explicat regelui indian că timpul trece diferit pe diferite planuri de existență, și că, în perioada cât se află la el, pe Pământ au trecut deja 27 de Catur-Yuga, adică circa 116 de milioane de ani!

O, rege, toți cei pentru care e posibil să te fi decis a-i accepta ca şi gineri au murit demult. Douăzeci și șapte de Catur-Yuga au trecut deja. Nu numai ei sunt morţi, dar şi fiii lor, nepoții și alți descendenți ai lor. Nici măcar nu se mai ştie nimic despre ei. Toţi prietenii tăi, toţi miniștrii tăi, toate rudele, armatele și comoarele tale au fost de mult timp măturate de mâna timpului.

Regele Kakudmi a rămas uimit la auzul acestei vești. După ce el şi fiica sa au revenit pe Pământ, amândoi au fost șocați de schimbările care au avut loc. Nu numai că peisajul și mediul s-a schimbat, dar de-a lungul celor 27 de chatur-yuga, omenirea s-a degradat, ajungând la nivelul cel mai scăzut de dezvoltare.

Din fragmentul de mai sus din Mahbhrata putem constata următoarele:
* oamenii în trecut aveau nave spaţiale foarte avansate (Vimana), cu care călătoreau la viteze apropiate de viteza luminii;
* oamenii ţineau legătura cu extratereştrii avansaţi de pe alte planete;
* evoluţia civilizaţiei umane nu este una liniară (aşa cum istoria ne învaţă), ci una ciclică.

Teoria relativităţii

E = MC2
E – energie
M – Masa
C2 – viteza luminii in vid

Ca orice teorie pare ceva abstract, o insiruire de litere fara noima care nu au nici o legatura cu realitatea.
Pentru a o intelege si a pricepe de unde provine relativitatea insa trebuie sa tinem cont de doua principii.

1. Viteza luminii este aceeasi pentru orice observator si este imposibil de atins de un corp cu masa, pentru ca pe masura ce viteza creste energia necesara pentru a-l propulsa creste pana la infinit.
2. Realitatea este un punct de vedere si atata timp cat nu avem un sistem de referinta la care sa ne raportam nu putem spune niciodata despre doua obiecte, care se misca si care sta pe loc.

Principiile acestea in sine par simple si usor de inteles dar, pentru mine, a fost nevoie sa vad o imagine mai ampla a ceea ce presupune teoria relativitatii si care sunt paradoxurile ei pentru a o pricepe si a intelege de unde provine relativitatea.
Cea mai buna explicatie am gasit-o intr-un episod din „Trough the Wormhole”, „The Riddle of Black Holes”, un documentar prezentat de Morgan Freeman.
Episodul respectiv se referea la modul in care actioneaza gaurile negre asupra realitatii si, desi avea prea putina legatura cu teoria relativitatii, in el a existat ceva care m-a ajutat sa inteleg relativitatea timpului, teoria mortului viu. Ca o paranteza, m-am hotarat sa nu folosesc aici termenul de „gaura neagra”, din motive evidente, o sa-l inlocuiesc cu „chestia intunecata”, nu, tot nu suna bine, sa-i zicem simplu „cafeaua”.
Cafelele sunt o concentratie de materie cu o masa asa de mare incat reusesc sa atraga si lumina. Presupunem ca exista doi observatori, numiti in documentarul respectiv Bob si Alice, daca in timp ce Alice se plimba cu un avion pe marginea cestii, Bob decide sa se arunce in cafea cei doi vor avea in aceeasi fractiune de secunda doua realitati complet diferite.
Alice il vede pe Bob in functie de lumina care se intoarce de la el la ea dar, intrucat cafeaua distorsioneaza timpul si spatiul si „incetineste” lumina pana in punctul in care o impiedica sa se intoarca la Alice, acesteia ii va parea ca Bob pica din ce in ce mai incet pana in momentul in care acesta se opreste. Datorita faptului ca ea il vede pe el ca urmare a luminii care in cele din urma nu se mai intoarce, pentru Alice, Bob are nevoie de o eternitate sa treaca prin cafea.
Pe de alta parte, Bob isi continua nestingherit miscarea pana in centrul cestii unde se intampla tot felul de lucruri rele despre care nu cred ca trebuie discutat acum. Oricum nu am fost si nu stiu.
Concluzia este ca in coformitate cu teoria relativitatii, unde viteza luminii este luata ca sistem de referinta si este aceiasi pentru toti observatorii, cei doi au doua imagini diferite asupra realitatii in acelasi moment. In timp ce Bob a trecut prin minunata licoare neagra si a dat de zat, Alice inca il vede plutind ca si caimacul la suprafata. De aici relativitatea timpului, ca deh, viteza luminii e constanta.
Destul de simplu zic eu.

De mentionat ca in documentar Alice este cea care se arunca in cafea lucru pe care nu-l inteleg si cu care nu sunt de acord, mai ales in ceva prezentat de un gentleman ca Morgan Freeman. Normal era sa sara Bob, din cavalerism macar, ma rog, puncte de vedere, sisteme de referinta, totul e relativ.

Efectele radiaţiilor asupra sănătăţii oamenilor

Radiaţiile ionizante pot fi periculoase pentru om. La fel cum soarele poate arde pielea, aşa şi radiaţiile ionizante pot cauza daune corpului. Cum se întâmplă acest lucru? În drumul lor, radiaţiile ionizante, care eliberează o cantitate suficientă de energie, pentru a putea îndepărta unul sau mai mulţi electroni din atomii ţesuturilor iradiate, dereglând în consecinţă activitatea lor chimică normală în ţesuturile vii. La un anumit grad de dereglare a acestor procese chimice, celulele vii nu se mai pot regenera pe cale naturală şi rămân permanent dereglate sau mor (în cazul distrugerii ADN-ului).

Gradul de severitate al efectelor radiaţiei depinde de:

• durata expunerii
• intensitatea radiaţiilor
• tipul radiaţiilor

Expunerea la o doză foarte mare de radiaţii poate conduce în scurt timp la arsuri ale pielii, stări de vomă şi hemoragii interne; organismul nu poate genera celule noi într-un timp foarte scurt. Expunerea îndelungată la doze mai mici de radiaţii poate cauza apariţia cu întârziere a cancerului şi posibil a unor boli ereditare, lucru constatat în special la supravieţuitorii bombardamentelor de la Hiroshima şi Nagasaki.

 

Doza de radiaţii

 

Măsurăm nivelul de radiaţii la care o persoană este expusă şi riscul rezultat în urma expunerii, folosind conceptul de doză, care în termeni simpli, este o măsură a energiei livrate de respectiva radiaţie către ţesutul uman.

Cea mai simplă formă de exprimare a dozei este doza absorbită, care se defineşte ca fiind energia absorbită de radiaţie într-un kilogram de ţesut. Unitatea de doză absorbită se exprimă în Joule pe Kilogram (J/kg) şi are denumirea de gray (Gy)Unitatea tolerată de doză absorbită este rad-ul (radiation absorbed dose). 1 Gy = 100 rad.

Deoarece o doză absorbită, în cazul unei radiaţii alfa, produce mai multe distrugeri ţesuturilor vii faţă de aceeaşi doză produsă de radiaţiile beta şi gama, doza absorbită se înmulţeşte cu o constantă (care este egală cu 20 pentru radiaţiile alfa şi cu 1 pentru cele gama şi beta), pentru a obţine doza echivalentă. Această doză echivalentă este măsurată în următoarele unităţi – Sievert (Sv) sau rem (1 Sv = 100 rem). Deoarece un 1 Sv reprezintă o doză extrem de ridicată şi, prin urmare, dozele sunt deseori exprimate în mSv (miimi de Sievert). De exemplu, o persoană normală, care nu este expusă unor surse suplimentare naturale sau artificiale de radioactivitate, primeşte o doză a radiaţiei naturale între 2 şi 3 mSv pe an.

Sensibilitatea ţesuturilor umane la radiaţie diferă în funcţie de ţesut, de exemplu o doză de 1 Sv la organele de reproducere este mai dăunătoare decât 1 Sv la ficat. Doza efectivă se calculează prin aplicarea factorilor de ponderare la dozele echivalente pentru fiecare organ şi prin însumarea contribuţiilor din diferite organe. Unitatea de măsură pentru doza efectivă este de asemenea sievertul (Sv).

Doza efectivă reprezintă suma ponderată a dozelor echivalente, provenite din expunere externă şi internă, efectuată pentru toate ţesuturile şi organele corpului uman. Unitatea de doză efectivă este tot sievert-ul.

Unitatea tolerată de doză echivalentă este rem-ul (röntgen equivalent man). 1 Sv = 100 rem.

Exemple de doze

Activitate	Doza echivalentă primită de o persoană
Doza medie mondială din toate sursele	2,8 mSv pe an
Zbor cu avionul dus – întors Europa–SUA	0,1 mSv
Radiografie pulmonară	0,1 mSv
Procedură medicală cu doză ridicată	5–10 mSv

 

Căile de contaminare ale organismului uman

 

In situaţia expunerii la doze care depăşesc limitele maxim admise, fie că vorbim de personal care lucrează în mod direct cu sursele de radiaţii sau de persoane afectate în cazul unui accident nuclear efectele asupra sănătăţii acestora depind în mare măsură şi de modul de contaminare.

Contaminarea externă se referă la depunerea accidentală pe piele sau îmbrăcăminte a radionuclizilor fixaţi, incluşi sau adsorbiţi pe/în particule de praf. Iradierea organismului rezultă din radiaţiile beta şi gamma ale radionuclizilor contaminanţi care produc arsuri caracteristice, în funcţie de activitatea şi timpul de înjumătăţire fizică a acestora şi de energia radiaţiilor. Acestea pot evolua asemănător cu arsurile produse de orice alt agent fizic sau chimic.

Contaminarea internă este dată de pătrunderea accidentală a radionuclizilor în organism prin inhalare, ingestie sau prin piele. 

1. Contaminarea internă prin inhalare se datorează prafului sau aerosolilor contaminaţi de căderile radioactive provenite de la testele sau de la accidentele nucleare majore. Gradul de contaminare internă pe această cale depinde de caracteristicile particulelor radioactive (încărcare radioactivă şi electrostatică, mărime, densitate, compoziţie chimică etc.).
2. Contaminarea internă pe cale digestivă se realizează în urma consumării de alimente şi apă contaminate, direct din depuneri sau prin transferul diferitelor substanţe radioactive în interiorul lanţului trofic.
3. Contaminarea prin piele (absorbţie tegumentară), are importanţă redusă; puţini radionuclizi diluaţi în apă pătrund prin tegumentele intacte (cazul celor din grupele alcalinelor şi alcalino-pământoaselor). In primele 12 zile de după accidentul de la Cernobâl, principala cale de contaminare a omului a fost cea prin inhalare, după care ponderea a trecut la cea prin ingestie.

In primele 12 zile de după accidentul de la Cernobâl, principala cale de contaminare a omului a fost cea prin inhalare, după care ponderea a trecut la cea prin ingestie.

 

Efectele biologice

 

Radionuclizii pătrunşi în organismul omului pot fi repede detectaţi în sânge, urină (iod 131, cesiu 137) şi fecale (stronţiu 90). Majoritatea radionuclizilor pătrunşi în organism se comportă foarte asemănător cu elementele chimice din care provin sau cu care se aseamănă din punct de vedere al proprietăţilor chimice; astfel ritmul de acumularea şi eliminarea radionuclizilor în şi din om, pot fi calculate suficient de precis cu ajutorul unor modele matematice . Toxicitatea radionuclizilor patrunsi in organism depinde de: activitatea acestora, forma chimică, tipul şi energia radiaţiilor emise, timpii de înjumătăţire fizică şi biologică. În contaminările externe radionuclizii beta emiţători sunt cei mai periculoşi, în contaminările interne cei alfa emiţători, în timp ce radionuclizii gamma emiţători produc iradiere, dar mai redusă, în ambele cazuri.

Radionuclizii pătrunşi în organism, în funcţie de proprietăţile fizice şi chimice (ale elementelor chimice din care fac parte) sunt metabolizaţi diferit, putând fi împărţiţi astfel:

• transferabili, sunt radionuclizii în combinaţii solubile în mediul biologic, care difuzează cu uşurinţă în organism, precum: hidrogen 3, carbon 14, radiu 226, cesiu 137, cesiu 134, stronţiu 90, stronţiu 89, iod 131 etc.,
• netransferabili, radionuclizii în combinaţii insolubile la orice pH din mediul biologic, practic difuzează puţin sau de loc în corp, chiar dacă au trecut de bariera intestinală. Acesta este cazul plutoniului 239 care are ca organ critic ficatul, unde staţionează ceva timp, după care este eliminat prin urină.

Radionuclizii odată ajunşi în sânge, trec în în ţesuturi, unde o parte este fixată ( între 30 şi 70 la sută), cealaltă fiind eliminată prin urină, fecale şi transpiraţie. In funcţie de activitatea metabolică a diverselor ţesuturi, radionuclizii pot fi eliminaţi sau recirculaţi în sânge şi fixaţi din nou.

• De exemplu, în comparaţie cu stronţiul radioactiv, care odată fixat în sistemul osos nu mai poate fi eliminat cu uşurinţă, cesiul radioactiv care se acumulează în organele moi şi în sistemul muscular, este metabolizat intens, ceea ce permite eliminarea sa mult mai rapidă din organism. Astfel, în cazul unui om adult, dacă stronţiul 90 fixat în sistemul osos se reduce la jumătate abia după cca 7000 zile, cesiul 137 se reduce la jumătate mult mai repede, în 50 – 150 zile.
• O atenţie deosebită este acordată de specialiştii în radioprotecţie radionuclidului hidrogen 3, numit şi tritiu, cu care se poate contamina mediul, implicit şi omul, în condiţii de funcţionare necorespunzătoare a unei centrale nucleare cu reactor CANDU (cum este şi cea de la Cernavodă). Tritiul este reţinut în organism aproape 100% la pătrunderea pe cale pulmonară, 50% prin pielea intactă şi 100% pe cale digestivă (mai ales din apa contaminată), dar este eliminat repede.
• Alţi izotopi "ţintesc" anumite organe şi ţesuturi şi au o rată de eliminare mult mai scăzută. De exemplu, glanda tiroidă absoarbe o mare parte din iodul 131 care intră în corpul uman. Dacă sunt inhalate sau înghiţite cantităţi suficiente de iod radioactiv, glandă tiroidă poate fi afectată serios în timp ce alte ţesuturi sunt relativ puţin afectate. Iodul radioactiv este unul din produşii reacţiilor de fisiune nucleară şi a fost unul din componentele majore ale contaminării produse de explozia de la Cernobâl. Acumularea sa în organismele unor copii a dus la multe cazuri de cancer tiroidian la copii din zonele foarte contaminate din Belarus (Gomel).

Radioizotopii şi organele lor ţintă

 

Element radioactiv	Organele, ţesuturile afectate
I-131	Tiroidă
Sr -90, Pb-210	Măduva şi suprafaţa oaselor
S-35	Întreg corpul
H-3	Fluidele din corp
C-14	Ţesuturile grase

Activitatea radionuclizilor pătrunşi în organism prin una din căile de contaminare amintite, este proporţională cu cantitatea sau concentraţile existente la intrarea în organism. După ce radionuclizii au intrat în sânge, situaţia devine mai gravă după ce aceştia s-au fixat deja în organele lor "ţintă". In consecinţă, este mult mai important ca în caz de contaminare radioactivă, să se acţioneze rapid pentru limitarea expunerii la respectiva sursă, de exemplu prin îndepărtarea şi izolarea sursei respective, sau prin părăsirea zonei contaminate.

 

Caracterul determinist şi probabilistic sau stochastic al efectelor

Odată ce radionuclizii respectivi intră în organismul uman, energia eliberată de radiaţiile ionizante poate fi dăunătoare. In situaţia încasării unei doze mari (6 – 10 Sv) în timp scurt, celulele diferitelor organe pot fi distruse, ducând la moartea persoanei în urma expunerii la radiaţii. La un nivel de expunere mai scăzut, persoana respectivă poate suferi vătămări ireversibile, cum ar fi arsuri profunde cauzate de radiaţii. Dacă expunerea este mai redusă (dar în continuare foarte ridicată în comparaţie cu nivelurile normale) efectele sunt de natură temporară, cum ar fi înroşirea pielii. Sub un anumit nivel de expunere – numit prag – aceste efecte nu mai apar. Peste acest prag, gravitatea efectelor creşte odată cu doza. Aceste tipuri de efecte se numesc efecte determininiste. Dacă acestea se produc, putem fi siguri că au fost cauzate de radiaţii.

Nivelurile de radiaţii mai scăzute – inclusiv nivelurile la care suntem expuşi în mod normal – nu distrug celulele dar pot cauza modificări la nivelul acestora (prin deteriorarea ADN-ului). În multe cazuri, modificările vor fi benigne sau vor putea fi remediate de organism. Cu toate acestea, există posibilitatea ca, ulterior, modificările să devină maligne adică să ducă la apariţia cancerului sau, dacă sunt afectate organele de reproducere, copii persoanei respective pot fi afectaţi. Probabilitatea producerii unor astfel de efecte – cunoscute ca efecte stocastice – creşte odată cu doza, dar nu se poate determina, prin examinarea unei anumite persoane, dacă efectul de care suferă a fost cauzat de radiaţii sau de altceva. Se presupune că orice nivel de expunere, oricât ar fi de mic, implică un risc: la niveluri de expunere foarte scăzute riscul este foarte mic, dar se presupune că nu este zero.

Motorul în patru timpi

Motorul în patru timpi este un tip de motor cu ardere internă al cărui piston face 4 curse simple într-un ciclu motor. Pistonul se mișcă într-un cilindru închis la un capăt de chiulasă. Mișcarea pistonului este asigurată de un mecanism bielă-arbore cotit și are loc între două poziții extreme: punctul mort interior și punctul mort exterior.

În punctul mort interior PMI, pistonul este în interiorul cilindrului și volumul acestuia este minim.

La punctul mort exterior PME, pistonul se găsește la cealaltă extremitate în raport cu PMI și volumul acestuia este maxim.

Un ciclu motor are loc de-a lungul a două rotații ale arborelui cotit și cuprinde patru faze, numerotate în figura alăturată cu:

1. - Admisia
2. - Compresia
3. - Arderea si Destinderea
4. - Evacuarea

Principiul de funcţionare

În momentul deplasării pistonului de la punctul mort interior la punctul mort exterior, supapa de admisie 6 (vezi imaginea din stânga) este deschisă și prin urmare în cilindru intră încărcătură proaspătă (din cauza depresiunii create de mișcarea pistonului). Așadar are loc admisia (curba g-a din diagramă). În continuare, prin deplasarea pistonului de la punctul mort exterior la punctul mort interior, are loc comprimarea încărcăturii, ambele supape (6 și 7) fiind închise. Până ca pistonul să ajungă la punctul mort interior, încărcătura este aprinsă și arde degajând căldură, ceea ce duce la mărirea presiunii în cilindru. Pistonul își continuă mișcarea și se apropie de punctul mort exterior dinspre punctul mort interior și se atinge presiunea maximă în punctul z datorită intrării în reacție a majorității combustibilului. După punctul z începe destinderea care are loc până la deschiderea supapei de evacuare 7 în punctul b (în apropiere de punctul mort exterior). Odată cu revenirea pistonului din punctul mort exterior în punctul mort interior, supapa 7 se deschide și are loc evacuarea gazelor din cilindru, iar succesiunea celor patru procese se repetă.

Diagrama de funcționare şi ciclul termodinamic motor reprezentat în diagrama p-V
Legenda:
1 - cilindrul
2 - chiulasa
3 - pistonul
4 - biela
5 - arborele cotit
6 - supapa de admisie
7 - supapa de evacuare

Istoric

Potrivit recentelor studii istorice, inventatorii italieni Eugenio Barsanti și Felice Matteucci au brevetat o primă versiune, care mergea eficient, a unui motor cu combustie internă, în 1854 la Londra (pt. Num. 1072). Se susține că motorul Otto este în multe părți, cel puțin, inspirat din precedentele invenții ale acestuia, dar, deocamdată nu există nici o documentație despre motorul italian creat înaintea celui al lui Otto.

Nikolaus August Otto a fost inventatorul german al primului motor cu combustie internă care ardea în mod eficient combustibilul direct într-o cameră cu piston. Deși au mai fost inventate și alte motoare cu combustie internă (de exemplu, de către Etienne Lenoir), acestea nu s-au bazat pe patru timpi separați. Conceptul de patru timpi este posibil să fi fost deja discutat la data invenției lui Otto, dar el a fost primul care l-a pus în practică.

Ciclul Otto

Motorul Otto a fost conceput ca un motor de staționare și în acțiunea motorului, timpul este mișcare în sus sau jos a unui piston într-un cilindru. Utilizat mai târziu, într-o formă adaptată ca un motor de automobil, sunt implicați patru timpi sus-jos:

1. Admisie descendentă - gaz de cărbune și aer intră în camera pistonului
2. Compresie adiabatica în sens ascendent - pistonul comprimă amestecul
3. Ardere și destindere adiabatica descendentă - aprinderea amestecului de combustibil și aer cu scânteie electrică
4. Evacuarea ascendentă – degajă gaze de eșapament din camera pistonului.

Otto l-a vândut doar ca pe un motor staționar.

Motoare termice cu ardere externă

Motoarele termice sunt dispozitive care transforma caldura primita in lucru mecanic (motoare termice) ,fie lucrul mecanic in caldura (masini frigorifice).

Un motor termic lucrează pe baza unui ciclu termodinamic realizat cu ajutorul unui fluid.
Întrucât, conform principiul al doilea al termodinamici, entropia unui sistem nu poate decât să crească, doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și sursa caldă) este transformată în lucru mecanic. Restul de căldură este transferat unui sistem cu temperatura mai mică, numit sursă rece.

Tipuri de motoare termice:

• Motor cu ardere externa , la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic:
  • motorul cu aburi
  • turbina cu abur
  • motor Stirling
• motor cu ardere interna, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:
  •  motorul Otto
  • motorul Diesel
  • motorul Carnot
  • motor racheta
  • statoreactor
  • pulsoreactor
                                                   
  
                                                         Motorul cu aburi 
  
  Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de aburprin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.
  Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revoluției industriale până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor, vapoarelor, pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici, utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și de cel electric.
  
  
  
  
                                                        Turbina cu abur
  
  
  
  

  Rotorul unei turbine cu abur instalată într-o termocentrală. Direcția de curgere a aburului este de la paletele scurte la cele lungi.

  Turbina cu abur este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.

  În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu aburdatorită randamentului termic superior și unui raport putere/greutate mai bun. De asemenea, mișcarea de rotație a turbinelor se obține fără un mecanism cu părți în translație, de genul mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acționarea generatoarelor electrice — cca. 86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

                                                                 

  Motor Stirling

În familia mașinilor termice, motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod obișnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de temperatură suficient de mare între ele.
În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot, cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire,rezistența la rupere, deformarea plastică etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.
Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele Stirling pot fi mai economice, mai silențioase, mai sigure în funcționare și cu cerințe de întreținere mai scăzute. Ele sunt preferate în aplicații specifice unde se valorifică aceste avantaje, în special în cazul în care obiectivul principal nu este minimizarea cheltuielilor de investiții pe unitate de putere (RON/kW) ci a celor raportate la unitatea de energie (RON/kWh). În comparație cu motoarele cu ardere internă de o putere dată, motoarele Stirling necesită cheltuieli de capital mai mari, sunt de dimensiuni mai mari și mai grele, din care motiv, privită din acest punct de vedere această tehnologie este necompetitivă. Pentru unele aplicații însă, o analiză temeinică a raportului cheltuieli-câștiguri poate avantaja motoarele Stirling față de cele cu ardere internă.
Mai nou avantajele motorului Stirling au devenit vizibile în comparație cu creșterea costului energiei, lipsei resurselor energetice și problemelor ecologice cum ar fi schimbările climatice. Creșterea interesului față de tehnologia motoarelor Stirling a impulsionat cercetările și dezvoltările în acest domeniu. Utilizările se extind de la instalații de pompare a apei la astronautică și producerea de energie electrică pe bază de surse bogate de energie incompatibile cu motoarele de ardere internă cum sunt energia solară, resturi vegetale și animaliere.
O altă caracteristică a motoarelor Stirling este reversibiltatea. Acționate mecanic, pot funcționa ca pompe de căldură. S-au efectuat încercări utilizând energia eoliană pentru acționarea unei pompe de căldură pe bază de ciclu Stirling în scopul încălzirii și condiționării aerului pentru locuințe.

Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic
1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanţi,