Jak funguje světelný mlýnek?

sobota 17. říjen 2009 17:50

Crookesův mlýnek je jednoduchý fyzikální přístroj, demonstrující působení energie světla. Skládá se ze skleněné baňky, z níž je vyčerpán vzduch a malé vrtulky, která je umístěna v baňce na jehlovém ložisku. Vrtulka má čtyři slídové listy z jedné strany bílé, z druhé začerněné. Díky různé odrazivosti materiálů se po osvětlení vrtulka otáčí. Přístroj vynalezl v roce 1873 chemik William Crookes jako vedlejší produkt svého výzkumu: snažil se jím změřit působení světla, které ovlivňovalo jeho chemické experimenty. Dnes je mlýnek k dostání jako fyzikální hříčka v mnoha prodejnách gadgetů a učebních pomůcek.

Pohyb mlýnku se často vykládá jako důsledek tlaku světla a demonstruje se jím princip solární plachetnice. Proto se mu také občas říká "světelný" nebo "sluneční" mlýnek. Tento výklad však není správný, protože skutečný tlak záření je mnohem nižší (srv. výpočet níže) a mlýnek vlastně zdroj světla ke svému pohybu vůbec nepotřebuje. Lze se o tom snadno přesvědčit tím, že mlýnek sevřeme do dlaní - roztočí se i ve tmě. Mnohem lépe než na denním světle se mlýnek bude točit pod žárovkou nebo infralampou: studené světlo zářivky ho roztočí pomaleji, i když bude na pohled mnohem jasnější. Pokud mlýnek umístíme do vyhřáté trouby, prudce se v ní roztočí i v úplné tmě, dokud se teploty vně a uvnitř mlýnku nevyrovnají.

Celoskleněné provedení Crookesova mlýnku Lopatky mlýnku se otáčejí vždy světlou stranou dopředu

Pokud by mlýnek mělo pohánět odražené světlo, pak na vyleštěné straně lopatky dochází k dvojnásobné změně hybnosti fotonu (světlo se zde odráží) a na začerněné se hybnost fotonu mění pouze jednou (světlo je zde pohlcováno). Z toho vyplývá, že mlýnek by se měl podle principu akce a reakce otáčet vlivem záření tak, že se vyleštěná strana pohybuje ve směru dopadajícího světla a tmavá strana proti tomuto směru. Mlýnek se však vždy točí opačným směrem, tj. ve směru dopadajícího světla se pohybuje tmavá strana. Jedinou výjimku představuje situace, kdy mlýnek místo na světlo postavíme do ledničky nebo aspoň k velkému kusu ledu - mlýnek se konečně začne točit obráceně.

Vodítko ke správnému vysvětlení poskytne chování, když budeme z mlýnku vyčerpávat vzduch vývěvou: nejlépe bude mlýnek reagovat na světlo, když tlak klesne asi na desetitisícinu atmosférického tlaku - ale pokud však z mlýnku vyčerpáme poslední zbytky vzduchu, přestane se točit úplně. Vysvětlení tohoto chování souvisí právě s tím, že mlýnek není v úplném vakuu, ale ve zředěném plynu. Jelikož je tmavá strana silněji zahřívána, molekuly plynu, která na tuto stranu narážejí, se od ní odráží s větší energií než od strany lesklé. Na tmavou stranu působí tudíž větší impuls než na stranu lesklou a proto se tmavá strana točí ve směru dopadajícího záření. V naprostém vakuu je reaktivní moment podstatně slabší a vyžaduje speciální uspořádání, aby jej  bylo možné vůbec měřit.

Tlak záření souvisí s vyzařovacím výkonem. Ve vzdálenosti Země od Slunce má dopadající světelná energie v průměru hodnotu E=1328 W/m2. Tato hodnota se nazývá sluneční (solární) konstanta. Tlak slunečního záření p je dán vztahem p = E/c, kde c  je rychlost světla, tedy p = 1328 / 300 000 000 = 4,43x10-6 Newtonů/metr čtvereční. To je velmi slabá síla odpovídající tíze menšího zrnka soli. Tzv. solární plachetnice však mohou být poháněny nejenom světlem, ale i částicemi slunečního větru, vyvrhovanými ve velkém množství Sluncem. Tvoří je protony a další těžší částice, který prolétávají sluneční soustavou a lze je urychlit magnetickým polem v okolí plachetnice.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Vojtěch HarokZajímavé20:1017.10.2009 20:10:02
Jiří NavrátilTo je velice zajímavé18:1217.10.2009 18:12:51

Počet příspěvků: 2, poslední 17.10.2009 20:10:02 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik