Math   Science   Chemistry   Economics   Biology   News   Search


> Extra
Participants login
Guestbook
Official forms
> When scientists are playing Issue: 2011-1 Section: Math

English

 

Cand oamenii de stiinta se joaca

 

Ana Ilinca FOTA

 

Chiar dacă pare ciudat să-ți imaginezi adulţi jucându-se, cel puţin oameni de ştiinţă, atât timp cât joaca se referă la o serie de activităţi voluntare, motivate intrinsec care sunt asociate în mod normal cu plăcerea şi bucuria s-a dovedit științific că ea este necesară pentru dezvoltarea capacităților funcţionale a tuturor animalelor... atunci le este permis și adulţilor să se joace.

Ce se întâmplă când oamenii de știință se joacă?... Asta devine deja o problema de statistică!

De exemplu, deja faimos pentru cercetările sale in domeniul geometriei și al astronomiei Johannes Kepler (1571-1601), astronom imperial la curtea împaratului Rudolf II, scrie un eseu despre Fulgul de nea in șase colțuri jucându-se însă cu înțelesul cuvintelor – în lb. latină nix înseamnă fulg de nea, câtăvreme în lb. germană același nix însemnă nimic-.

Chiar dacă eseul a avut inițial motivații mai curând sociale decât științifice în cele din urmă cercetătorul s-a lasat fascinat de realitatea observată ajungând la concluzia că în lipsa altor mijloace fulgul de nea poate fi cel mai potrivit dar de Crăciun de vreme ce coboară din cer și arată ca o stea.

În continuare însă cheia eseului se schimbă, observațiile devenind mai curând geometrice decât literare, astfel încât se poate spune că este prima lucrare știută care descrie structura cristalelor de gheață, chiar dacă o face într-o manieră literară. Pentru Kepler frumosul fulg de nea în șase colțuri era un exemplu în plus ce venea să susțină conceptul armoniei universale și să-l lege prin congruență de diverse alte forme și relații (geometria tridimensională, relațiile dintre ordinele de mărime, principiile consonanței în muzică, organizarea sistemului solar). Kepler (fig.1) a considerat că opera lui de căpătâi a fost Harmonices Mundi.

Dar apa și mai ales cristalele acesteia au continuat să uimească și să fascineze cercetătorii de-a lungul secolelor.

De la cele mai fragede vârste ni s-a spus că apa este esențială pentru existența vieții pe Pământ și nu ne-am îndoit de asta, dar încet-încet am aflat tot mai multe lucruri despre apă. Ea acoperă 70,9% din suprafața Pământului dar reprezintă și aproximativ 70% din compoziția corpului uman și între 2% și 98% din cea a altor viețuitoare și plante. Este prezentă peste tot, susține viața în forma pe care o cunoaștem și proprietățile ei par să ne fie cunoscute. Oricum, se pune întrebarea ce o face atât de unică și indispensabilă existenței vieții pe Pamânt?

Monoxidul de dihidrogen (H2O), substanța fără gust, inodoră și incoloră cunoscută sub numele comun de apă, spre deosebire de alte hidruri care sunt în stare gazoasă în condiții normale de temperatură (de exemplu, hidrogenul sulfurat), în condiții normale se prezintă în stare lichidă.

Mai mult, faza solidă (gheața) plutește în cea lichidă fiind mai puțin densă decât aceasta (fig.2). Este singura substanță cunoscută până în prezent a cărei densitate de masă maximă este atinsă în faza lichidă (la aproximativ 4 °C) și nu în fază solidă, pentru ca pe măsură ce înghață să câștige aproape 9% în volum datorită aranjării spațiale a moleculelor (fig. 3, 4)

Structura atomică simplă a apei face ca moleculele acesteia să aibă proprietăți electrochimice unice; partea moleculei care conține hidrogenul are o sarcină slab pozitivă, in timp ce partea opusă are o sarcină slab negativă.

Aceasta particularitate electrochimică face ca apa să fie un solvent puternic, capabil să dizolve mineralele din sol și prin alte proprietăți fizice caracteristice (tensiune superficială și capilaritate) să hrănească plantele și animalele făcând posibilă viața pe Pământ. Apa mai are și alte proprietăți uimitoare, cum ar fi ciclul complet pe care-l descrie în natură pe parcursul a doar nouă zile, un exempu perfect a ceea ce înseamnă cu adevărat procesul de regenerare; deplasările vaporilor, transformările de fază și precipitațiile determină variațiile climatice pe Pamânt.

Prin urmare, apa este o substanță misterioasă care continuă să intrige oamenii de știință.

După Kepler, câteva veacuri mai târziu, un alt om de știință –academician, inginer, pionier al aviației și inventator al avionului cu reacție- românul Henri Coandă (1886-1972) este la rândul său fascinat de armonie, simetrie și de curgerea fluidelor. Efectul aerodinamic

descoperit de el, cunoscut astăzi sub denumirea de efect Coandă (brevetat în Franța, 1934) n-ar fi fost descoperit atunci dacă autorul n-ar fi fost un observator avizat și un bun cunoscător al fenomenelor de mecanica fluidelor (fig. 5, 6).

Mai mult decât atât, între incidentul cu scurgerea de carburant din 1910 care a compromis modelul Coanda-1910 prezentat la cel de-al doilea Salon Aeronautic de la Paris și anul inregistrării brevetului efectului aerodinamic (1934) Coandă descoperise domeniul fascinant al proprietăților apei (după cum menționa într-un interviu) și devenise fascinat (pentru tot restul vieții) de misterul cristalizării acesteia (fig. 7a, b). De fapt, efectul Coandă aplicat în aerodinamică, poate fi observat și în curgerea apei, formarea turbioanelor și a altor modele din dinamica fluidelor (fig. 5a, 6a) care au fost studiate de autor mai întâi în medii fluide mai ușor de observat și măsurat (apa) și apoi transpuse dinamicii gazelor. Acei pași de modelare experimentală făcuți în urmă cu mai bine de șaptezeci- optzeci de ani au făcut posibilă astăzi modelarea cu ajutorul calculatorului (fig. 5b, 6b).

Chiar dacă Henri Coandă nu și-a publicat studiile despre apă și cristalizarea ei, el a inventat o mașină pentru a obține zăpadă artificială, înițial ca suport al studiilor pe care le întreprindea, dar mai târziu aceasta a devenit prima sursă de zăpadă artificială pentru întrecerile de schi (Franța, în anii 1930). În 1963 Coandă prezintă la NASA un model de duză cu efect Coandă care era proiectată pentru propulsia subacvatică și utiliza aburul ca fluid primar. Oricum activitatea sa științifică cunoscută a rămas focalizată în domeniul aerodinamic, către studiul cristalizării apei - care l-a pasionat o viață – îndrumându-i pe tinerii de excepție pe care i-a intâlnit la un seminar organizat la NASA (1964) ambiționându-i să rezolve misterele ascunse în apă și gheață.

Între timp în Japonia, la mijlocul secolului XX într-o perioadă în care oamenii nu-și împărtășeau ideile in timp real prin WWW cum se întâmpă astăzi, un alt om de știință și-a dedicat întrega viață studiului cristalelor de gheață. Cunoscutul fizician și cercetător al fenomenelor legate de zăpadă și gheață, Nakaya Ukichiro (1900-1962) (fig. 8a), a lăsat un sistem de clasificare a cristalelor de gheață (fig.8b) bazat pe observațiile pe care le-a făcut cu echipamentele cele mai performante din acel moment dar și cu cele pe care le-a construit special pentru a obține zăpada artificială în laborator (fig. 8c). Foarte interesant, sute de ani după eseul lui Kepler un alt om de știință avea să scrie cristalele de gheață pot fi numite scrisori trimise din cer. Prețuindu-i munca de cercetare în studiul zăpezii naturale și artificiale (fig. 8c) japonezii i-au dedicat lui Nakaya Ukichiro un muzeu al zăpezii și gheții la Ishikawa, o clădire de formă hexagonală amintind de forma fulgului de nea. Povestea fulgului de nea continuă; pe baza studiilor publicate de Ukichiro și alți cercetători s-au ocupat de analiza cristalizării apei, astfel încât cîțiva ani mai târziu avea să fie definită o diagramă completă capabilă să coreleze suprasaturarea, temperatura și forma fulgilor de nea (fig. 8d).

Apoi cercetările și-au schimbat dinamica odată cu perfecționarea echipamentelor de observare și de caracterizare, dar mai ales odată cu apariția microscopiei electronice (fig.9). De această dată au fost create centre de cercetare dedicate studiului cristalizării la toate marile universități din lume și cele mai multe dintre acestea desfășoară programe speciale de studiu al gheții și zăpezii, încercând să rezolve în mod special sensibila problemă a modelării și simulării procesului de cristalizare la definirea formei fulgilor de zăpadă.

Prin urmare, în prezent matematicieni din întreaga lume definesc modele pentru a simula creșterea fulgilor de nea știind că un fulg reprezintă un singur cristal de gheață care are de obicei formă de prismă hexagonală (fig. 9), dar pe care temperatura, umiditatea (suprasaturarea), concentrația de impurități din aer, variația de presiune și alți parametri (știuți sau nu) o pot modifica. După mai bine de 400 de ani de observații și cercetări modelele matematice care rulează pe calculatoarele performante ale sec XXI pot imita modul de creștere al cristalelor de gheață, cât despre forma acestora...ea rămâne încă un mister, fiind până în prezent greu de anticipat dar găsindu-se pe lista de priorități a programelor de simulare a celor mai mari centre de cercetare.

Această poveste a fulgului de nea ne face să fim circumspecți atunci când oamenii de știință se joacă ...

 

Bibliography

  • Garvey, C. (1990). Play. Cambridge, MA: Harvard University Press
  • Pidwirny, M. (2006). "Physical Properties of Water". Fundamentals of Physical Geography, 2nd Edition
  • www.physicalgeography.net/fundamentals/8a.html
  • Nakaya, Ukichiro (1954). Snow Crystals: Natural and Artificial. Harvard University Press. ISBN 978-0674811515.

 

Iconography

Ana Ilinca Fota :: 04/11/2011 :: Pageviews: 6463