Fizik in fotografija

[latexpage] Večino ljudi zanimajo naravni pojavi, kot so npr. mavrica, zarja in zora, slikoviti slapovi rek, ipd. Zdijo se jim zanimivi, zato jih poskušajo ovekovečiti s fotoaparatom ali kamero, da bi jih pokazali prijateljem in znacem. Koliko informacij pa ponuja fotografija? Gotovo je to odvisno od vsebine fotografije, seveda pa tudi od gledalca. Vzemimo na primer naslednjo fotografijo para.jpg Večina ljudi bo opazila motorni čoln, ki vleče padalca, morje in hribe (Cres) v ozadju, spomnili se bodo na poletje in počitnice, najbolj dovzetni bodo celo zaznali vonj po borovcih in morju. Pa je to vse, kar lahko izluščimo iz te fotke? Fizik (pa tudi forenzik, ki med drugim uporablja tudi fizikalne metode) pravi, da ne. Ve, da za objekte na fotografiji veljajo naravni zakoni, ki omogočajo globji pogled in določitev ene ali več fizikalnih količin. Zato to fotografijo uvozi v kak program, za  šolarje je več kot primerna Geogebra, in nariše sile, ki delujejo na padalca (bolj precizno na točko, kjer se stikata vrv čolna, padalo in vrv, na kateri visi padalec). Najprej nariše silo padalca $F_g$, ki je po velikosti in smeri enaka njegovi teži in jo oceni (skupaj s padalom in vrvjo) na $F_g=1000N$. Nato nariše še preostali sili, silo vrvi $F_v$ v smeri vrvi, s katero vleče čoln, in silo upora padala $F_u$, ki kaze v smer simetrijske osi padala. Smeri sil so tako določene, velikosti pa mu pomaga določiti 1. Newtonov zakon, ki pravi, da je vektorska vsota sil, ki delujejo na enakomerno gibajoče se telo, enaka 0, torej $$\vec{F_g}+\vec{F_u}+\vec{F_v}=\vec{0}.$$para5 V praksi to pomeni, da sile lahko vzporedno premaknemo v trikotnik in kar z merjenjem (ročno ali bolj natančno z Geogebro) določimo velikost preostalih dveh sil. Narisane sile v Geogebri. para7   Tako je torej fizik določil velikosti vseh sil, ki delujejo na njihovo stično točko. A zgodbe še zdaleč ni konec. Upoštevamo namreč še, da je velikost sile upora po kvadratnem zakonu premo sorazmerna s kvadratom hitrosti gibanja skozi zrak, natančneje $$F_u=c_uS\frac{\rho v^2}{2}.$$ Pri tem je $c_u$ koeficient upora, $S$  presek padala, $\rho=1,2kg/m^3$ gostota zraka in $v$ hitrost zraka v smeri geometrijske osi padala. Ocenimo npr. $S=20m^2$ in $c_u=1$, pa lahko iz zgornje formule izračunamo hitrost $v:$ $$v=\sqrt{\frac{2F_u}{c_u\rho S}}=13\frac{m}{s}.$$ Čoln se mora torej gibati s hitrostjo $v_c=v\cos{50^o}=8,3m/s=30km/h.$   Zvemo lahko tudi minimalno moč $P_1$, ki jo čoln potrebuje za vleko padalca. Pri enakomernem gibanju namreč velja $$P_1=\vec{F}\cdot \vec{v}=F_vv_c\cos{23^o}=12kW.$$ Morda pa se da iz fotografije izvedeti še kaj. Če k tej moči prištejemo še moč $P_2,$ ki jo čoln potrebuje za premikanje po morju $$P_2=c_{uc}S_c \frac {\rho_v v_{c}^3}{2}=0,2\cdot 3m^2 \cdot \frac{1000kg} {m^2 } \cdot \frac{70 m^2} {2s^2}\cdot 8,3\frac{m}{s}=57kW,$$ (ocenili smo koeficient upora $c_{uc}=0,1$ in prečni presek čolna $S_c=2m^2$) ugotovimo, da mora biti moč motorja $P$ na čolnu približno $$P=P_1+P_2=79kW.$$Zanimivo, večino moči porabi čoln za premikanje po morju, samo slabo  šestino pa za držanje padalca v zraku.

Seveda fotka skriva še več informacij. Morda bi koga zanimalo, kdaj in kje je bila posneta. A to ni več zelo fizikalna tema…