Зошто Рудолф има црвен нос Постојат десетици шпекулации, но има само една вистина - ВЛИЈАНИЕ

Зошто Рудолф има црвен нос - дефинитивни шпекулации

Практично е невозможно во овој период од годината да се избегне слушање на песната „Рудолф црвено-носниот ирвас“, емотивна приказна за арктички тревојад чиј нос испушта црвено светло. Можеби ова звучи нејасно ужасно, но песната има среќен крај.

Зошто Рудолф има црвен нос - дефинитивни шпекулации

„Рудолф со толку сјаен нос,

Нема ли вечерва да ми ја водиш санката? "

Сега, оваа приказна покренува секакви прашања. Дали има, сепак, добар агол на физиката кон него, имено зошто му е специфично зацрвенет носот? Има одредена предност во црвениот нос, отколку, на пример, во сино или зелено во специфичното сценарио опишано овде.?

Малку физичка божиќна магија

Сега веројатно размислувате: „Идиот, тоа е само песна“. Тој е „црвен“ затоа што скенира подобро “. Но, всушност, постои добра причина цврстата физика да верува дека црвениот нос може да биде подобар избор за да се води патот до Бадник. Тоа е исто така поврзано со физиката на синото небо и шарените залези на сонцето и со нашето разбирање за сите што следат одредена физичка божиќна магија позната како „димензионална анализа“.

Маглата е, како што знаете, без сомнение огромна колекција на мали капки вода суспендирана во воздухот. Индивидуалните капки се практично невидливи, но колективно, тие имаат голем ефект врз пренесувањето на светлината низ воздухот, што го отежнува гледањето многу далеку. Не само што маглата ја затемнува светлината што ни доаѓа од далечни извори (како што се светлата на училишниот автобус), туку додава и многу бучава на она што го гледаме како расфрла светлина од блиските извори. Ова е причината зошто маглата е видлив феномен, иако е тешко тешко да се фотографира ефективно.

Физичко објаснување

Едно од првите добри објаснувања на физиката вклучена во ова потекнува од дело на британскиот физичар Johnон Вилијам Штрут од 1871 година, попознат во историјата како лорд Рејли. Во „На светлината на небото, нејзината поларизација и боја“ Рејли нуди аргумент зошто небото изгледа сино, гледајќи на расејувањето на светлината од микроскопски честички во атмосферата. Рејли со едноставен и силен аргумент покажува дека ваквите честички многу почесто расфрлаат сина светлина отколку црвена светлина. Аргументот е толку едноставен, всушност, што не бара воопшто знаење за самите честички или деталите за нивната интеракција со светлината - сè што треба да знаете е дека тие се многу мали.

Аргументот на Рејли тече практично вака: знаејќи дека светлината е електромагнетен бран, можеме да помислиме на светлина расфрлана од една мала честичка во смисла на влезен светлосен зрак и расфрлано светло поле. Она што навистина нè интересира е интензитетот на светлината расфрлана на одредено растојание од честичката и, погодно, има само неколку физички параметри што можат да влијаат на тоа: интензитетот на влезната светлина, големината на честичката, составот на честичката (што е можеме да го опишеме според индексот на рефракција), брановата должина на светлината и растојанието од честичката до местото каде што го мериме излезното поле.

Колку е посветла светлината, толку повеќе светлина може да емитува

Сега, прилично е очигледно дека интензитетот на излезот треба да биде пропорционален на интензитетот на влезот - колку е посветла светлината, толку повеќе светлина може да се изгасне - така што е лесно да се изброи. И Рејли истакна дека за честичка помала од брановата должина на светлината, секое парче од честичката го доживува точно истото влезно електромагнетно поле и треба да го произведе истото излезно поле како одговор. Сите тие излезни бранови ќе се додадат непречено, така што расфрланото поле треба да биде пропорционално со волуменот на честичката - колку е поголемо, толку повеќе работи се расфрлани и полекото ќе излезе. Интензитетот на светлината е квадрат на полето, така што расфрланиот интензитет треба да зависи од квадратот на волуменот.

Се грижи за два од петте параметри што може да сметаат за пресметка на ширењето - отпорноста на полето на инцидентот и големината на честичките. Исто така, од основните принципи на физиката знаеме дека интензитетот на излезот мора да се намали со растојанието според законот за обратна квадрат. Ова е практично аргумент за зачувување на енергијата: вкупната енергија во излезната светлина на одредено растојание од честичките е само интензитетот на тоа растојание помножено со областа на сферата од тој радиус центрирана на честичките. Ако го зголемите растојанието, површината се зголемува како квадрат на радиусот, но вкупната енергија не може да се промени, што значи дека интензитетот мора да се намали за истиот фактор.

Рејли - околу петте параметри

Ова се три од петте можни параметри што може да изгледаат безнадежно. Но, Рејли истакна дека преостанатите два параметра се мерат во многу различни единици. Брановата должина на светлината има единици на должина (очигледно), но составот на честичката не може да зависи од нејзината големина, така што индексот на рефракција што го користиме за да ја опишеме не може да вклучува единици на должина. Што значи дека можеме да погледнеме што знаеме и да го користиме тоа за да откриеме како расфрланата светлина зависи од брановата должина.

Значи, знаеме дека односот помеѓу интензитетот на излезот и интензитетот на влезот не може да има единици (бидејќи тоа е само дел) и двете работи што ги утврдивме погоре:

Тоа мора да зависи од квадратот на волуменот (мерено во квадратни кубни метри, што е шест метри до моќноста на шест) и
Мора да се спушти како квадрат на растојанието (квадратни метри). Значи, единиците во извештајот пред броењето на брановата должина изгледаат како (метри) 6/(метри) 2 (нешто што треба да се направи со брановата должина) = (метри) 4 (нешто што треба да се направи со брановата должина) . Потребни ни се сите единици да ги откажеме, така што „(нешто што треба да се направи со брановата должина)“ мора да биде „1/(бранова должина) 4“. Според аргументот на Рејли, тогаш интензитетот на расфрланата светлина мора да зависи од моќта над четвртата моќност на брановата должина.

Аргументот на Рејли добива точна зависност од брановата должина

Не знаеме како тоа зависи од составот на честичките (малку е комплицирано, како што се испостави), но убавината е во тоа што не мора. Аргументот на Рејли добива соодветна зависност од бранова должина, што е она што навистина нè интересира тука, и тоа го прави на таков едноставен и моќен начин што изгледа скоро магично.

Овој тип на димензионална анализа е моќна алатка за размислување за физиката, а расејувањето на Рејли е еден од најдобрите примери за неговата употреба.

Каква врска има ирвасите од неонски нос?

Па, црвената светлина е на крајот од брановата должина на видливиот спектар, со бранова должина од околу 600 нанометри. Инверзната зависност на четвртата моќност на расејувањето на Рејли значи дека очекуваме малите честички да расфрлаат нешто повеќе од пет пати повеќе сино од црвената светлина; ова, пак, значи дека црвената светлина треба да помине пет пати подолго од сината светлина (бранова должина од околу 400 нанометри) низ воздухот со мали честички во суспензија.

Сега, Рејли го напиша својот труд многу години пред да биде измислен Рудолф Црвено-носниот ирвас како трик за маркетинг за Мејси, па затоа не размислуваше за тоа физички. Наместо тоа, тој мислеше на бојата на небото - сината боја што ја гледаме кога гледаме убав ден е само сончева светлина расфрлана од ситни честички суспендирани во атмосферата, кои расфрлаат многу повеќе сина светлина отколку црвена. Ова е исто така причината зошто сонцето става црвено за нас - на зајдисонце, сончевата светлина поминува низ многу повеќе атмосфера и целиот дополнителен воздух ја расфрла сината светлина на делови. Зајдисонцата изгледаат црвени затоа што се користат пократки бранови должини од сонцето за да се направи небото сино за луѓето од нашиот запад.

Светло-црвениот нос на Рудолф го води санка на Дедо Мраз на Божиќ

Но, тука пишуваме глупава Божиќна објава, за да можеме да ги искористиме истите основни размислувања за да размислиме за најдобриот начин за водење на санката на Дедо Мраз. И аргументот на Лорд Рејли од 1871 година сугерира дека, со оглед на стадо летачки ирваси чии носови испуштаат различни бои на светлина, најдоброто обложување за возење по маглива Божиќна ноќ со разиграна брзина би било оној чиј нос светло црвена.

Така, Рудолф Црвено-носниот ирвас заминува во историјата, додека Ернест сино-носот Рен мрзне во мракот.