Issuu

Ултразвучно снимање посебно је добро у откривању цисти, које су џепови течности у јетри, жлездама јајника и груди. Исто тако, користи се за идентификацију жучних каменаца и камена у бубрегу. Велики крвни судови такође се јасно виде на ултразвучном снимку. Ултразвук се обично користи током трудноће за проверу развоја фетуса. Може да покаже величину плода, на основу чега се оцењује трајање и напредовање трудноће, њиме се проверава рад срца и могу се открити проблеми Слика 1.11. – Провера трудноће помоћу ако их има (слике 1.11 и 1.12). ултразвучног апарата Ендоскопија. – Представља оптичку методу гледања унутар људског тела кроз узан, флексибилан отвор (слика 1.13). Углавном се користи за дијагнозу проблема у једњаку, желуцу и цревима, укључујући ту и чиреве, крварење и туморе. Ако се уочи нешто сумњиво, врши се биопсија (узимање малог узорка ткива које се доставља патологу да утврди о чему се ради). Обично се користе оптичка влакна за пренос светлости до краја ендоскопа са минијатурном видео-камером на крају, помоћу које се посматра и снима ткиво. Ендоскопи имају и канал за биопсију (кроз који се помоћу посебних хируршких инструмената узима узорак сумњивог ткива за испитивање), као и цеви с водом за испирање посматраног дела Слика 1.12. – Снимак бебе добијен ултразвуком ткива ради лакшег уочавања нерегуларности. Лапароскопија представља додатну функцију ендоскопије, при којој се ендоскопи користе за посматрање унутар абдомена (трбушне шупљине) и карлице кроз мали рез. У ендоскопској хирургији, познатијој као убодна хирургија, ендоскоп се у пацијента уводи кроз рез и хирург, који користи ножеве или ласер такође унете уз ендоскоп, цео процес посматра на екрану. Убодна хирургија може да се користи за лечење киле и уклањање тумора. Често се користи кад се ради о повредама спортиста јер је време опоравка знатно краће него после отворених операција. Гама „нож” није заиста нож, већ је то начин обављања операција на мозгу без сечења коже, мишића и лобање. Он користи радиоактивни извор кобалта за озрачивање тумора у мозгу. Гама нож се користи у лечењу бенигних и малигних тумора. Најсавременији медицински апарат – скенер и нуклеарна магнетна резонанца такође су израђени и функциоСлика 1.13. – Ендоскоп нишу на основу сазнања о физичким процесима и законима (слика 1.14).

Слика 1.14. – Апарат за прецизно снимање ткива и унутрашњих органа (скенер)

УВОД У ФИЗИК У

1. ЗАДАЦИ ЗА ВЕЖБУ 1.3.

Колико има основних физичких величина у следећим скуповима и које су? а) маса, притисак, температура, дужина, време; б) јачина електричне струје, јачина светлости, количина супстанције, густина; в) температура, маса, јачина светлости, јачина електричне струје.

1.4.

Колико има скаларних физичких величина у следећим скуповима и које су? а) запремина, сила, температура, маса; б) рад, енергија, импулс, дужина; в) време, маса, запремина, брзина.

1.5.

1.6.

1.7.

1.8.

 a

Одредити интензитет резултанте вектора приказаних на слици.

  На слици су приказани вектори a и b .   

 b

Дефинисати резултујући вектор c= a + 2b . Графичким и рачунским путем дефинисати резултанту вектора приказаних на слици.    Колики је интензитет вектора c = 2a – b ?

(R=1) R= 1 (R=1) (R=1) (R=1) (R=1)

 a

R (R=2) =2 (R=2) (R=2) (R=2)  (R=2)

 b

На слици су приказане две силе којом два дечака делују на санке које се налазе на залеђеном језеру. Одредити интензитет резултантне силе која делује на санке ако једном подеоку на слици одговара сила интензитета 200 N. Правци сила заклапају угао од 90°.

 b

(R=11) (R=11)(R=11) (R=11) R = 11 (R=11)



(R=1000 N) FN) 2 (R=1000 (R=1000 N) (R=1000 N) (R=1000 N) R = 1.000N

1.9.

Графичким и рачунским путем одредити резултанту вектора приказаних на слици. Бројна вредност једног подеока је 1.

 b



(R=10) a (R=10)(R=10) (R=10) (R=10)

R = 10

Сила отпора средине Поред силе трења, и ова сила се увек супротставља кретању тела. При кретању чврстог тела кроз ваздух или течну средину, јавља се отпор који успорава то кретање. Величина која карактерише тај отпор назива се сила отпора средине. Када се тела крећу кроз гасовиту или течну средину, на свом путу наилазе на молекуле средине, услед чега се јавља отпор кретању. Кретање човека кроз воду знатно је отежано због ове силе, а сила отпора постаје још већа при трчању кроз воду. Дакле, може се закључити да сила отпора средине зависи од брзине кретања тела. Сила отпора средине зависи од величине чеоне површине тела (сила је јача ако је већа чеона површина тела). Слика 2.52. показује три лопте које се крећу кроз исту средину једнаким брзинама. чеони пресек

Fot1

Fot2

Fot3

Слика 2.52. – Зависност силе отпора од чеоног пресека

Покушајте кроз воду да гурате тениску лопту, ватерполо лопту и кошаркашку лопту. Шта примећујете? Сила отпора зависи од облика тела. Са слике 2.53. се види да најмања сила отпора делује на тела аеродинамичког облика.

Fot1

Fot2

Fot3

Слика 2.53. – Зависност силе отпора од облика тела

Лакше се кроз воду покреће лопта него округла плоча, истог пречника, а још лакше од лопте ће се кретати тело које је напред заобљено а позади сужено.

МЕХАНИКА

2. То је такозвани аеродинамични облик (облик капи кише или облик рибе). У овом облику производе се ракете, авиони, аутомобили, подморнице, како би се отпор средине што више смањио. Вероватно вам је сада јасно зашто рибе и птице имају тело аеродинамичног облика (слика 2. 54).

Слика 2.54. – Природни аеродинамични облици

Треба рећи да постоје ситуације у којима је сила отпора веома пожељна и корисна, као код спуштања падобрана на земљу. Отворени падобран има велику чеону површину, тако да је сила отпора ваздуха довољно велика да успори падобранца до безбедне висине (слика 2.55).

Слика 2.55. – Падобранци

Слика 2.58. – Пливање, лебдење и тоњење боце

На слици 2.58. су приказане три исте боце, једнаке запремине, али различитих средњих густина (боце садрже различите количине песка). У сва три случаја, када се боце зароне у течност, на њих делују једнаке силе потиска (Fp= ρ . V . g). У првом случају, средња густина скоро празне боце мања је од густине течности, услед чега она најпре испливава, а затим и плива у течности. У другом случају средња густина боце са песком једнака је густини течности, па она лебди у њој. У трећем случају у боцу је стављено толико песка да је њена средња густина са песком већа од густине течности и зато је боца потонула на дно. Да бисмо пратили понашање истих тела у течностима различитих густина, изводимо једноставан оглед: шпиритус

вода

раствор соли у води

Слика 2.59. – Иста тела у разним течностима тону, лебде и пливају

Можемо издвојити још две просте машине засноване на принципу стрме равни. То су клин и завртањ. Клин се добија спајањем две стрме равни по основици (на пример секира). Сила којом се делује по горњој површини клина преноси се на бочне странице. Завртањ се добија ако се стрма раван „намота” на један ваљак. Малим обртањем главе завртња веома чврсто спајамо различите делове (слика 2.81).

Слика 2.81. – Секира и завртањ

Важне примене стрме равни могу се видети и у транспорту и грађевинарству (рампе за утовар робе, рампе за инвалидска колица, приступне рампе), на грађевинским структурама (кровови на кућама су закошени да би вода и снег лакше отицали), код успињача где се принцип стрме равни користи за кретање по шинама на великим нагибима (слика 2.82).

Слика 2.82. – Примене стрме равни

МЕХАНИКА

Колики ће тај рад бити, зависи пре свега од врсте течности, што се описује величином која се назива коефицијент површинског напона (γ). Дакле: A = γ · ΔS, где је ΔS повећање површине течности, а A рад који се при томе изврши. Коефицијент површинског напона изражава се џулима по ква J дратном метру  2  , или њутнима по метру  N  , и представља каракm  m теристику дате течности. Повећању потенцијалне енергије молекула површинског слоја при увећању површине течности супротстављају се молекулске силе течности. Због тога се горње површине течности понашају као растегнута опна (мембрана) која тежи да смањи своју површину, пружа отпор њеном повећању. Појава да се течности опиру повећању слободне површине, односно да теже да је смање назива се површински напон.

Кохезија и адхезија у течностима Привлачне силе између молекула истог типа називају се силе кохезије. Течности остају у отвореном суду јер силе кохезије држе молекуле течности на окупу. Ходање неких инсеката по површини воде може се објаснити постојањем сила кохезије (слика 3.8).

Слика 3.8. – Инсект који хода по површини воде – ефекат сила кохезије

Слика 3.9. – Капи воде на листу биљке – ефекат сила адхезије

Привлачне силе између молекула различите врсте називају се силе адхезије. То су силе које држе капи кондензоване воде залепљеним за прозорска стакла или листове биљака (слика 3.9).

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

125

Познато нам је да се слична појава дешава и када се на површину воде пажљиво постави игла у лежећи положај. Знамо да неће потонути, као и у случају инсекта, али то не можемо приписати сили потиска јер је густина игле већа од густине воде, па би, у складу са тим, игла требало да потоне. Појаву да игла остаје на површини воде објашњавамо постојањем силе површинског напона која компензује тежину игле. Игла деформише слободну површину воде, услед чега се јавља сила површинског напона чија је резултанта усмерена супротно од њене тежине. Ако иглу спустимо вертикално на површину воде, њена тежина делује на мању површину и, због веће густине од густине воде, игла тоне на дно.

АЛВЕОЛЕ Интересантна је улога површинског напона у процесу дисања људи. Наша плућа састоје се од стотина милиона слузавих кесица – алвеола. Можемо и да удахнемо и да издахнемо ваздух из плућа без ангажовања других мишића захваљујући контраховању тих кесица услед површинског напона. Неопходно је да се површински напон алвеола налази у одређеном опсегу вредности. Ако је превелики (када, на пример, уђе вода у плућа) човек не може да удахне. То је највећи проблем при оживљавању утопљеника.

алвеоле алвеоле

Капиларне појаве Капиларне појаве су ефекти који се јављају при додиру чврстих и течних тела као последица површинског напона течности. Манифестују се протицањем течности кроз уске судове супротно дејству гравитације и супротно закону спојених судова. Капиларни ефекти најјаче су изражени у капиларним цевима. Капилар је свака цев изузетно малог пречника, мањег од једног милиметра.

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

127

3. Очигледно је да је густина воде највећа (запремина најмања) на температури 4°C. Ова појава је од велике важности за биљни и животињски свет који живи у води, нарочито у зимским условима. Када дођу хладни дани, прво се охлади површински слој воде, па му се повећава густина. Нижи слојеви воде, како су топлији, имају мању густину и долази до мешања слојева – нижи слојеви иду навише а хладнији површински слојеви воде падају доле. Ово се дешава све док температура воде не падне на 4°C. Даљим хлађењем површинског слоја, његова густина се не повећава него смањује, па он не пада. Када се температура површинског слоја воде спусти до 0°C, формира се слој леда на површини воде. У дубини нема замрзавања, вода ту остаје на температури између 0°C и 4°C. У таквој води и биљни и животињски свет (рибе, ракови и др.) несметано живи, што је сликовито приказано на слици 3.18.

– 10 °C

ваздух

0 °C

лед

1 °C

вода

2 °C

3 °C

4 °C

Слика 3.18. – Аномалија воде – биљни и животињски свет у мору

132

Слика 3.30. – Термоизолациони материјали

Топлотна изолација грађевинских објеката може се примењивати у свим фазама градње: приликом изградње нових објеката, током завршетка грубих грађевинских радова, а и у старим зградама. Изоловати се могу зидови, кров, под, прозори. За изолацију се користе материјали који су слаби проводници топлоте (термоизолатори), а то су: минерална вуна, стаклена вуна, стакло, стиропор и други вештачки материјали (слика 3.30). Ти материјали су добри како звучни, тако и топлотни изолатори. Термоизолација зидова може се изводити током градње израдом такозваних сендвича – постављањем термоизолационог материјала између фасадне опеке и зида од блокова или цигала (слика 3.31). Слика 3.31. – Сендвич зид

Изолација крова и тавана Кров се може изоловати тако што се термоизолациони материјал (стаклена вуна или стиропор) поставља на кровну конструкцију. Таван се може изоловати постављањем слоја топлотног изолатора на конструкцију таванице с горње стране таванске плоче. Тим поступком знатно се смањују губици топлотне енергије (слика 3.32).

Слика 3.32. – Изолација крова и тавана

Изолација подова Топлотна изолација подова изводи се тако што се минерална вуна или стиропор (2) постављају на подну бетонску плочу (1), с горње стране се ставља заштитна цементна кошуљица (3). На цементну кошуљицу поставља се подна облога, најчешће паркет (4). Шематски приказ је дат на слици 3.33.

Слика 3.33. – Изолација подова

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

147

3. Изолација прозора Застакљен део грађевинског објекта, као и прозори значајно утичу на губитак топлотне енергије. Губици топлотне енергије преко прозора јављају се ако је стакло лоше постављено или због слабог заптивања прозорских крила. Један део губитака може се отклонити додавањем специјалних, самолепљивих трака по обиму прозорских крила. То најчешће није довољно, па је неопходна уградња PVC прозора или алуминијумских прозора. У новије време израђују се прозори са трослојним стаклима, као на слици 3.34. Слика 3.34. – Прозор са трослојним стаклима

ОБНОВЉИВИ ИЗВОРИ ЕНЕРГИЈЕ Убрзани развој технике и технологије у прошлом веку допринео је и убрзању потрошње залиха енергената (нафта, угаљ, гас). Човечанство се суочило с енергетском кризом коју је могуће превазићи једино ослањањем на обновљиве (неисцрпне) изворе као што су енергија Сунца, ветра и воде. Употреба соларне енергије веома је значајна у изградњи грађевинских објеката. Најчешће се своди на примену енергије Сунца за грејање простора и загревање проточне воде. За употребу Сунчеве топлотне енергије користе се разне конструкције колектора, који су најчешће на крововима зграда и током целог дана изложени су Сунчевом зрачењу (слика 3.35. и 3.36). Сунчева светлост

Слика 3.35. – Шема соларног колектора

148

Слика 3.36. – Соларни колектор на стамбеној кући

На слици 3.37. приказан је систем соларног грејања и загревања воде у стамбеној кући. Загрејана вода се помоћу цеви доводи до бојлера у згради, а пумпа омогућује циркулацију воде и довођење до потрошача.

Слика 3.37. – Систем соларног грејања

Још у фази пројектовања и градње грађевинских објеката употребом соларних панела (колектора) треба водити рачуна о положају у односу на стране света, односно на путању Сунца. И то је један од важних чинилаца који утичу на штедњу енергије. Зато је неопходно пре започињања градње установити с које ће стране сунчеви зраци падати на стране грађевинског објекта. Од превеликог осунчавања грађевинског објекта најефикасније штити зеленило, и то листопадно дрвеће (слика 3.38).

Слика 3.38. – „Зелена” зграда

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

149

Подела према подручјима практичне примене резултата метеоролошких истраживања:

СВЕМИР

1. Авио-метеорологија – доприноси потребама ваздушног саобраћаја. 2. Поморска метеорологија – доприноси потребама поморског и речног саобраћаја. 3. Метеорологија копненог саобраћаја – помаже копненом саобраћају. 4. Техничка метеорологија ‒ помаже службама привредних грана као што су телекомуникације, електропривреда, грађевинарство, туризам. 5. Агрометеорологија – испитује утицај метеоролошких чинилаца на пољопривреду, воћарство, повртарство, шуме и сл. 6. Биометеорологија – испитује утицај времена на живе организме. 7. Хумана метеорологија – испитује утицај времена на живот и здравље људи. 8. Еколошка метеорологија – испитује однос између живих организама и њиховог климатског окружења.

соларно зрачење Земљано зрачење

апсорпција рефлексија емисија

снег и лед

АТМОСФЕРА

облаци падавине

ваздух-лед

ветар

ваздух-океан

вулкански гасови и честице

отицање вода

море-лед

људске активности

ОКЕАН

струје лед-океан

језера и реке

процеси површинског земљишта Слика 3.46. – Климатски систем

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

161

3. АТМОСФЕРА Атмосфера је ваздушни омотач Земље који обезбеђује постојање органског живота на њој и заштиту од зрачења из космоса. Сила гравитације је одржава око Земље, тако да се заједно са њом ротира. Атмосфера се састоји од мешавине гасова: азота 78%, кисеоника 21%, аргона 0,94%, других гасова 0,06% и разних чврстих, течних и гасовитих примеса. Такав састав задржава се све до око 150 km висине. Удео водене паре је променљив. Она може да прелази из гасовитог у течно или чврсто стање и да у таквом облику пада на Земљу, где испарава и поново се враћа у атмосферу (стално кружење воде између Земљине површине и атмосфере). Утицај чврстих честица на дешавања у атмосфери је велик: одбијају и распршују светлосне зраке, упијају топлотне зраке и тако утичу на загревање ваздушних маса а служе и као језгро око којег се кондензује водена пара. Физичке карактеристике атмосфере су: – на облик и запремину ваздушне масе утичу сила гравитације и притисак виших слојева атмосфере на њене ниже слојеве, – при сабијању ваздух има већу густину, а при ширењу мању, тј. ређи је. Гушћи ваздух има већу тежину, а ређи мању, – при сабијању ваздух се загрева, а при ширењу се хлади, – загревањем ваздух се шири и постаје ређи, док му се расхлађивањем густина повећава.

Структура атмосфере Атмосферу, према физичким својствима, процесима у њој и распо дели температуре по висини, чини пет слојева: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и егзосфера (слика 3.47). ЕГЗОСФЕРА 800km

ТЕРМОСФЕРА 400km

МЕЗОСФЕРА 80km

СТРАТОСФЕРА 50km

ТРОПОСФЕРА 0 – 18km

162

Слика 3.47. – Висина и структура атмосфере

Облаци су суштински исто што и магла само су другачији узроци њиховог настанка и величина капљица које их сачињавају. Настанак облака повезан је с динамичким хлађењем ваздушних маса при њиховом узлазном кретању и потребна су интензивна кретања ваздушних маса. Честице, од којих је састављен облак, формиране су у виду ситних, течних капљица воде или кристала леда. Облак је скуп водених капљица или кристала леда који лебде у атмосфери, а довољно су близу једни другима да стварају видљиву скупину у простору. Облаци се налазе у стању непрекидног стварања и промена: од нај различитијих облика, димензија, боје и структуре па до висине и положаја настанка изнад Земље. Класификација је ипак сведена на одређен број група које се могу видети изнад свих делова Земљине површине.

cirrocumulus

изнад 6.000 m cirrus

cirrostratus cumulonimbus 2.000 – 6.000 m

altocumulus altostratus nimbostratus stratocumulus stratus

0 – 2.000 m cumulus

Слика 3.53. – Класификација облака

Подела облака према висини на којој се налазе: високи (висина од 6.000 m до 13.000 m), средњи (висина од 2.000 m до 7.000 m), ниски (до 2.000 m).

ТОП ЛОТНЕ ПОЈАВЕ

171

ФАРАДЕЈЕВ КАВЕЗ Фарадејев кавез или Фарадејев штит представља простор ограничен високопроводним материјалом, који има улогу да блокира спољашње статичко електрично поље. Назив је добио по физичару Мајклу Фара деју, који је показао да се електрицитет у проводнику распоређује по површини, тј. помера се ка његовој спољашности. На тај начин поништава се електрично поље у унутрашњости. Простор унутар Фарадејевог кавеза има дакле особину да блокира спољашње статичко електрично поље. Зато има велику примену у за штити различитих електронских уређаја (у области медицине, телекомуникација, информационих технологија и слика) који емитују штетне електромагнетне таласе. Принцип рада Фарадејевог кавеза прилично је једноставан (слика 4.15).

+ --- +

+ --

+ -

+ - - + -- + - - + - - + Фарадејев кавез без присуства спољашњег електричног поља.

електрично поље

+ - - + -- - + -- - + -

- -

-- --

метални кавез

---

- -------

+ +

---

+- +-

+ +

+- +

- -

+ +

Новостворено електрично поље неутралише спољашње електрично поље.

Наелектрисане честице у странама Фарадејевог кавеза се прерасподељују под дејством електричног поља.

Слика 4.15. – Принцип рада Фарадејевог кавеза

Е ЛЕК ТРИЧНЕ ПОЈАВЕ

197

ЕЛЕКТРИЧНА СТРУЈА У ТЕЧНОСТИМА И ГАСОВИМА Eлектрична струја у течностима. – Посматрајмо оглед са слике 4.20. У једном од два суда налази се дестилована вода, а у другом се налази водени раствор кухињске соли. У оба суда уроњене су две металне шипке које су жицом преко електричне сијалице спојене с половима електричног извора (батерије). У електричном колу са дестилованом водом сијалица не светли, док у другом струјном колу са сланом водом сијалица светли. Закључак је једноставан: дестилована вода је електрични изолатор, а слана вода, тј. водени раствор кухињске соли је електрични проводник. Осим дестиловане воде, и неке друге течности, као што су алкохол, ацетон, етар и друге, у свом основном стању не проводе електричну струју. Међутим, када се у њима растворе соли, киселине или базе, оне постају Слика 4.20. – Провођење струје у проводници електричне струје, и то тако што се с порастом дестилованој и у сланој води концентрације раствора повећава и њихова електрична проводљивост. Раствори, који проводе електричну струју, зову се електролити. Металне шипке уроњене у електролит су електроде. Електрода спојена с позитивним полом извора електричне струје зове се анода, а она спојена с негативним полом извора је катода. Електролити настају тако што се неке супстанце при растварању у течностима (води) разлажу на позитивне и негативне јоне. Након што се успостави електрично поље у електролиту, које омогућава усмерено кретање јона, јони постају носиоци електричне струје. Дакле, носиоци електричне струје у електролитима су позитивни и негативни јони. Као добар пример може да послужи оглед са воденим раствором соне киселине (HCl) приказан на A K слици 4.21. Позитивни јони (катјони) крећу се према катоди (K) а негативни јони (анјони) у супротном смеру, према аноди (A). Обе врсте јона својим усмереним кретањем подједнако доприносе стварању електричне струје кроз HCl електролит. За смер струје узима се онај у којем се крећу позитивни јони, тј. кретање од позитивног пола према Слика 4.21. – Провођење струје кроз електролит негативном полу извора електричне струје. Када се у раствору соне киселине са слике јави електрична струја, почињу да се издвајају хлор на аноди а водоник на катоди. У том случају носиоци електричне струје су позитивни јони водоника и негативни јони хлора. При јонској проводљивости струје на електродама се издваја супстанца која је у саставу електролита. Е ЛЕК ТРИЧНЕ ПОЈАВЕ

201

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА БР. 2 МАТЕМАТИЧКО КЛАТНО Мерење периода осциловања клатна ЗАДАТАК Одредити период осциловања математичког клатна под утицајем Земљине теже. ПРИБОР – сталак – конац – куглица – хронометар – метарска трака. УПУТСТВО 1. Поставити сталак и за њега везати конац са ку глицом (слика 1). Након тога измерити дужину клатна што пред ставља дужину конца од тачке вешања до средине куглице. Овај податак унети у табелу. 2. Период осциловања клатна (T) мери се хронометром на следећи начин: куглица се изведе из равнотежног положаја и пусти да слободно осцилује (слика 2). Једна пуна осцилација је направљена када куглица из почетног положаја отклона (1) прође кроз равнотежни положај (2), оде у положај отклона на другој страни клатна (3) и опет се врати кроз равнотежни положај (4) у почетну Слика 1. тачку отклона (5). 3. Време мерити за одређени број оваквих осцилација (n), на пример, за десет осцилација. Избројати десет осцилација, искључити хронометар и очитати време (t). 4. Перод осциловања се израчунава на следећи начин: T=

t . n

5. Мерење поновити три пута за две различите дужине клатна и резултате унети у табелу. 6. Дужина клатна представља дужину нити (конца) о коју је окачено клатно l0 (од тачке вешања до куглице), увећана за полупречник куглице R: l = l0 + R. ЛАБОРАТОРИЈСКЕ ВЕЖБЕ

233