E-učionica za učenje fizike

Arhiva za kategoriju ‘Fizika danas’

Veštački sateliti

Veštački sateliti

Veštački sateliti su tvorevine ljudskog porekla koji kruže oko Zemlje. Ukoliko se sateliti kreću po ekvipotencijalnim površinama oni ne vrše rad protiv sila gravitacionog polja. Ekvipotencijalne površine su površine na kojima potencijal gravitacionog polja ima istu vrednost. Sateliti su u bliskom kontaktu sa spoljašnjim delom Zemljine atmosfere.

Stvaranje veštačkih satelita se odrazilo u različitim oblastima ljudskog života pre svega u tehnološko-društvenom razvoju  i napretku komunikacije. Takođe, u velikoj meri je značajna primena vestačkih satelita i u vojnoj oblasti.

Kako je sve krenulo?

Godine 1946. američki astrofizičar Lyman Spitzer je prvi dao ideju o postavljanju teleskopa u Zemljinu orbitu ili na neku drugu lokaciju u Svemiru. To je bilo deceniju pre lansiranja prvog satelita po imenu Sputnik u orbitu. Spitzer je predložio veliki satelit koji bi kružio oko naše planete i obavljao posmatranja svemira i njegovih objekata. Nakon lobiranja za ovaj projekt tokom 1960-ih i 1970-ih godina, isti je realizovan lansiranjem prvog Svemirskog teleskopa Hubble, optičkog tipa, 20. aprila 1990. godine. Hubble je lansiran pomoću šatla Discovery.

Prvi veštački satelit Sputnjik bio je lansiran 4. oktobra 1957  godine u čast Oktobarske revolucije u Rusiji.

Treba napomenuti da je do danas veliki broj teleskopa lansiran u orbitu. Trenutno oko naše planete Zemlje orbitira više od 5000 veštačkih satelita koji funkcionisu i još otprilike toliko tela koja više nemaju nikakvu funkciju jer su podlegli vremenu.

Zašto su sateliti značajni?

Mnogi od njih su uveliko povećali naše znanje o Svemiru. Izučavanje astronomije sa zemljine površine je ograničeno zbog smetnji uzrokovanih elektromagnetnim zračenjem zemljine atmosfere. Ova činjenica čini postavljanje asktronomskih instrumenata u svemir veoma poželjnim i značajnim za dalja istraživanja.

Takođje je potrebno napomenuti da veštački sateliti ne orbitiraju samo oko Zemljine ose, već postoje i oni koji imaju snagu i mogućnost da se odvoje i van orbititrajucih polja Zemlje.

U ovom tekstu će biti opisano nekoliko veštačkih satelita, koji su doprineli promenama u razvoju čovečanstva i značajnim otkrićima u nauci.

Način lansiranja satelita

Naučnici koji se bave planiranjem i lansiranjem veštačkih satelita imaju samo jednu opciju da izvedu taj poduhvat. Telo koje obavlja funkciju prenošenja veštačkog satelita sa Zemlje na željeno mesto je raketa nosač. Ona skladišti satelit u svoje prostorije („komore“), gde se satelit „stavi“. Nakon lansiranja, raketa se vremenom raspada na manje delove i samim tim otpušta nepotrebne ili prazne delove koji su već istrošeni; do samog cilja raketa izvrsi „rađanje“ ili otpuštanje satelita na željeno mesto.

Većina naučnih poduhvata se bave lansiranjem znatno većih veštačkih satelita. U takvim situacijama ne može ceo veštački satelit da stane u raketu pa se projekat realizuje tako što se satelit postavlja na željeno mestu, gde će rakete prebaciti potrebne delove do prvog objekta, a roboti koji su u paketu poslati sa prvim telom, će satsavljati deo po deo.

Podela veštačkih satelita

Postoji veći broj podela veštačkih satelita (prema odredjenim zahtevima, obavezama i zaslugama): telekomunikacioni, meteorološki, astronomski, navigacioni, minijaturni, sateliti za posmatranje planeta, vojni sateliti, svemirske stanice.

U daljem tekstu će biti posebno opisani metereološki sateliti i svemirske stanice zato što su posebno značajni za razvoj nauke i praktično svakodnevno nas snabdevaju novim informacijama.

Meteorološki veštački sateliti

Meteorološki satelit je model satelita koji se primarno koristi za meteorološki i klimatski nadzor Zemlje. Ovi meteorološki sateliti osmatraju kretanje oblaka i njihovo strujanje. Takođe, osmatraju gradsku rasvetu, požare, dejstva konataminacije, polarnusvetlost, oluje, snežne padavine, pomeranje ledenihoblasti; prikupljaju i druge ekološke informacije koje se kasnijekoriste za analizu i obradu podataka.

Svemirske stanice

Svemirske stanice (opservatorije) su instrumenti u svemiru koje služe za posmatranje udaljenih planeta, galaksija i drugih svemirskih objekata. Koriste se u svrhu izviđanja i prikupljanja informacija.

Mnoge svemirske opservatorije su završile svoje misije, dok druge još uvek rade. Do sada su satelite lansirali NASA, ESA , Japanska Svemirska Agencija i Sovjetski svemirski program (današnji Roskosmos).

Medjunarodna svemirska stanica

Međunarodna svemirska stanica (engl. International Space Station) je zajednički projekat 6 svemirskih agencija SAD, Rusije, Japana, Kanade, Brazila i Evropske Unije.

o-INTERNATIONAL-SPACE-STATION-facebook

Slika: Međunarodna svemirska stanica; izvor: http://www.wikipedia.com

 

Izgradnja međunarodne svemirske stanice počela je 1998. godine lansiranjem u orbitu ruskog modula Zarja. Od 2. novembra 2000. godine na Međunarodnoj svemirskoj stanici se neprekidno nalazi posada od tri člana a planirano je da se od 2009. godine stalna posada proširi na šest članova.

Po završetku izgradnje 2011. godine Međunarodna svemirska stanica ima dimenzije od 110 × 90 × 30 metara a planirano je da bude korišćena barem do 2016. godine.

Svemirska stanica se nalazi u orbiti oko Zemlje na visini od 360 kilometara (tip orbite koji se uobičajeno naziva niska orbita). Stvarna visina se menja po nekoliko kilometara pošto otpor atmosfere snižava orbitu a povremeno se vrši korekcija (podizanje) orbite. Stanica dnevno gubi od 65 do 100 metara u visini. Trajanje jedne orbite (orbitalni period) je oko 92 minuta. Stanica je do sada napravila preko 37500 orbita.

Habl satelit

Svemirski teleskop Habl (HST) je projekat nastao saradnjom Nase i Evropske svemirske agencije. Teleskop se nalazi u orbiti oko Zemlje i snima 5 puta kvalitetnije slike svemirskih tela i pojava, kao i mnoštvo naučnih informacija. Posmatranja se mogu izvoditi u vidljivom, infracrvenom i ultraljubičastom delu spektra. Habl je na mnoge načine izmenio ljudsko razmišljenje o svemiru – doneo je revoluciju u modernu astronomiju i to ne samo kao vrlo dobar instrument, već i kao stalan podsticaj novim istraživanjima.

hubble

Slika: Habl satelit; izvor:www.wikipedia.com

Gradnja je započeta 1977. godine a odlučeno je da se teleskop nazove po Edwinu Hubbleu. Teleskop je završen 1985. godine, nakon odlaganja zbog katastrofe Čelendžera 1986. Teleskop je lansiran 1990. godine.

Međutim, nakon prvih snimaka, bilo je jasno da sa Hablom nešto nije u redu. Slike su bile mutne i nisu se mogle fokusirati. Sa sledećim letom šatla greška je popravljena – ogledalo je zamjenjeno novim. Slike koje su zatim usledile bile su bolje od svih do tada. Usledile su još misije servisiranja u 1997. godini i u 1999. godini.

Hablov svemirski teleskop je postavljen u kružnu orbitu oko Zemlje na visini od 600 km visine uz pomoć svemirskog šatla. Zemlju obilazi pod uglom od 28,5° i napravi pun krug za prosečno 96 minuta. Srce teleskopa čini ogledalo dužine 2,4 metra. Težak je oko 10 tona a veličine kao manji autobus. Energiju dobija iz solarnih ploča dimenzija 2.6 x 7.1 metara koje mu daju energiju potrebnu za rad. Deo energije se akumulira u 6 nikl-vodikovih baterija koje mu daju energiju dok je u Zemljinoj senci. Teleskop ima dve antene: jedna za primanje naredbi sa Zemlje a druga za slanje podataka na Zemlju. Pored toga, Habl ima sistem za ispravljanje položaja, i precizne žiroskope koji pomažu u vrlo preciznim merenjima.

Habl može pomoću 4 instrumenta snimati u rasponu od infracrvenog pa sve do ultraljubičastog dela spektra. Uz jednu kameru ima dva kombinovana uređaja (spektrograf kombinovan sa kamerom). Lako se može popraviti u svemiru, bez potrebe vraćanja na Zemlju jer se sastoji od puno odvojenih modula koji se mogu lako zameniti i odvojiti.

Teleskop Habl je u svemiru od 1990. godine i poslao je preko 750.000 fotografija koje su doprinele našem boljem shvatanjem svemira i još većom fascinacijom Unirverzumom. Pogledajte link na kome se emituju fotografije i dokumentuju podaci o radu Habl satelita: http://hubblesite.org/.

Iako je rad teleskopa je predviđen do 2013. godine, očekuje se da će moći da radi još par godina. Tada će se vratiti u Zemljinu orbitu gde će izgoreti. NASA planira da nakon povratka Habla pošalje novi satlit James Webb koji će verovatno biti postavljen iza Meseca, tako da će biti u mogućnosti da pravi bolje i kvalitetnije slike.

Sputnjik

Sputnjik je bio prvi veštački satelit izbačen u orbitu 4. oktobar 1957. godine u čast godišnjice Oktobarske revolucije. On je lansiran sa kosmodroma koji je pripadao SSSR-u Bajkonur u sadašnjem Kazahstanu. U kosmos ga je odnela raketa R-7 koju je projektovao Sergej Koroljov za balističke rakete. Kretao se po orbiti udaljenoj 250 kilometara od Zemlje. Njegovo lansiranje je započelo trku u istraživanju svemira između SSSR-a i SAD.

Sputnik_asm

Slika : Satelit Sputnik; izvor:www.wikipedia.com

 

Tehniči podaci o ovom prvom osvajaču vasione govore sledeće. Loptasto telo od aluminijumskih legura, prečnika 58 cm bilo je hermetički zatvoreno. U njegovoj unutrašnjosti, napunjenoj inertnim gasom pod određenim pritiskom, specijalni uređaj održavao je temperaturu u propisanim granicama, neophodnim za siguran rad dva radio predajnika i akumulatora – izvora električne energije. Količina električne energije poneta sa Zemlje bila je dovoljna za tronedeljni rad ugrađene opreme. Spoljašnji deo lopte specijalno je poliran da bi se obezbedila određena svojstva upijanja odnosno odbijanja Sunčevih zraka. Na njoj su se nalazile 4 štap-antene: dve dužine 2,4 m, a dve dužine 2,9 m. Ukupna težina satelita je bila 83,6 kilograma.

Sputnjik-1 se oko Zemlje kretao putanjom sa uglom 65,1°, perigejom na 226 km i apogejom na 947 km. Period obilaska putanje bio je 96,17 minuta. Kružio je brzinom od 29,000 kilometara na sat i emitovao radio-signale na frekvencijama 20.005 i 40.002MHz, koji su mogli pratiti brojni radio-amateri širom sveta. Pošto je pune tri nedelje slao signale sa putanje i time omogućio dragocene provere osnovnih postavki leta u vasioni, Sputnjik-1 je „zaćutao“ 26. oktobra pošto su se istrošile baterije ali je nastavio da se kreće oko Zemlje. Posle 93 dana (3 meseca), 1400 obrtaja oko naše planete i oko 60 miliona prevaljenih kilometara, prvenac vasionske ere je zašao u guste slojeve atmosfere 4. januara 1958. i prestao da postoji. Posle Sputnjika 1 lansirana je serija satelita pod tim nazivom.

Zaključak

Poređenjem podataka navedenih za satelite, od 1957. godine kada je lansiran prvi satelit Sputnik (emitovao je radio signale koje su mogli da prate radio amateri) do danas kada je još aktivan Habl satelit (radi u širokom opsegu spektra elektromagnetnih talasa a rad i rezultate mozemo da pratimo svi preko navedenog linka http://hubblesite.org/ i to u realnom vremenu), uviđa se ekstremno brz razvoj tehnologija, njihov značaj i doprinos u otkrivanju novih detalja Unirverzuma. Sledeći značajni pomaci i ekspanzija u budućnosti ostvariće se svakako angažovanjem veštačke inteligencije.

 

LITERATURA:

1. http://sr.wikipedia.org/sr/Teleskop_Hab

2. http://hubblesite.org/

3. www.wikipedia.com

 

Rad je napisao Marko Gavrilović odličan učenik II7 razreda škole Politehnika – škola za nove tehnologije, smer tehničar za kompjutersko upravljanje i član kreativnog tima Fizikica (objavljeno 5. aprila 2015).

 

Advertisements

Kvantni kompjuteri

Ideja o nastanku kvantnih kompjutera prvi put se pojavila 70-ih godina prošlog veka. Ideja realizacije kvantntnih kompjutera oslanja se zapravo na znanje iz kvantne fizike.

D-Wave_300

Kvantni kompjuter D-wave  slika: http://www.newscientist.com

Kvantni bitovi – takozvani kubitovi rade na principima kvantnih osobina atoma ili jezgara i zajedno čine mikroprocesor i memoriju (jedan bit je danas moguće spakovati u 12 atoma). Prilikom međusobnih interakcija i dok su izdvojeni od eksternog okruženja, kubitovi mogu da odrade određene kalkulacije eksponencijalno brže od konvencionalnih kompjutera.

Kubitovi se ne oslanjaju na tradicionalnu binarnu prirodu kompjutera. Dok tradicionalni kompjuteri kodiraju informacije u bitove koristeći binarne brojeve 0 ili 1 i mogu da vrše izračunavanje samo na jednom setu brojeva odjednom, kvantni kompjuteri kodiraju informacije kao seriju kvantno-mehaničkih stanja. Kvantno mehaničko stanje može da se odnosi na smer spina elektrona ili polarizacionu orjentaciju fotona. Ta stanja mogu da se „ponašaju“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde između“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Upravo takva osnova za rad omogućava da kvantni kompjuter može da uradi proizvoljan proračun na više brojeva istovremeno, što binarni sistem ne može da uradi. Pored toga, za kvantni kompjuter je moguće da izazove interferenciju između različitih brojeva. Koristeći samo jednu procesnu jedinicu, kvantni računar može da obavlja prirodno bezbroj operacija paralelno.

Kvantni kompjuteri nisu pogodni za zadatke kao što je obrada teksta i e-mail ali su idealni za zadatke kao što su: kriptografija (zaštita podataka od krađe), modeliranje i indeksiranje velikih baza podataka.

tabela_KK-2

Tabela: poređenje između konvencionalnih i kvantnih kompjutera

Pojmovi i veze koje treba razumeti

Kvantna fizika je fizika sveta čije su dimenzije reda veličine dimenzija prečnika atoma i manjim. U svetu atoma, elektrona, protna, neutrona, fotona i ostalih elementarnih delova materije dominiraju zakoni kvantne fizike. Zapravo ako zamislite sebe da sedite na jednom elektronu i posmatrate svet oko sebe sve ono što je tako skriveno i nevidljivo iz našeg klasičnog ugla gledanja postalo bi kristalno jasno od zakona kvantne mehanike do Ajnštajnove teorije relativnosti…Sve prosto funkcioniše drugačije od onog što ste ikada učili iz klasične fizike. Zato je razvoj kvantne fizike ekvivalentan ekstremnom razvoju ljudske svesti i svako novo otkriće apsolutno oduzima dah.

Spin elektrona sa stanovišta kvantne fizike – kvantne vrednosti smera elektronskog spina nemaju samo 2 vrednosti ½ i -½ već mogu da imaju bilo koju vrednost u slučaju slabog kvantnog merenja. Zapravo spin elektrona u kvantnoj mehanici  predstavlja rezultat merenja u kome se elektron propušta kroz izrazito slabo magnetno polje. Upravo to je iskorišćeno kod kvantnih kompjutera jer kvantno mehaničko stanje koje se odnosi na smer spina elektrona može da se „ponaša“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde između“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Foton je čestica svetlosti. Nema masu i kreće se brzinom svetlosti. Čestice mogu da se ponašaju i kao talasi.

Svetlost  ima dvojnu prirodu: može da se ponaša i kao talas i kao čestica. Koja priroda svetlosti će doći do izražaja zavisi od energije, talasne dužine ili frekfencije.

Interferencija je dokaz talasne prirode svetlosti pa se u skladu sa tim može razumeti kako kvantni kompjuter može da izazove interferenciju između različitih brojeva, jer se brojevi predstavljaju kvantnim stanjem – polarizacionom orjentacijom fotona.

Polarizaciona orjentacija fotona  predstavlja rezultat merenja u kome se foton šalje ka polarizatoru pri čemu ispoljava svoje kvantno-mehaničko ponašanje. Slično kao i kod spina sa stanovišta kvantne mehanike rezultat merenja može biti „bilo koja vrednost“ . To je takođe iskorišćeno kod kvantnih kompjutera tako što kvantno mehaničko stanje polarizacione orjentacije fotona može da se „ponaša“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde izmađu“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Kubit je najmanja jedinica informacije u kvantnom računarstvu. Kubit sadrži eksponencijalno veću količinu informacija od tradicionalnih bitova.

Kriptografija je način zaštite informacija njihovim pretvaranjem u nečitljiv format. Samo onaj ko poseduje tajni ključ može da dekriptuje podatke i prebaci ih u čitljiv tekst. Kriptovana informacija može biti „probijena“ u nekim situacijama primenom kriptoanalize iako se smatra da su tehnike moderne kriptografije virtuelno neprobojne. Kriptografija se koristi u zaštiti e-mail poruke, kreditnih kartica i poslovnih podataka.

Predstavljanje prvog kvantnog kompjutera na svetu

 

D-Wave kvantni kompjuter

 

izvori:
http://www.webopedia.com/TERM/Q/quantum_computing.html
http://www.physics.metu.edu.tr/~sturgut/p507/pol.pdf
http://www.newscientist.com/article/dn24882-googles-quantum-computer-flunks-landmark-speed-test.html#.UzHOhqhdWSo
http://www.newscientist.com/article/dn23519-commercial-quantum-computer-leaves-pc-in-the-dust.html#.UzHRbKhdWSo

Nataša Ćurčić, „Slabe vrednosti elektronskog spina u kvantnoj teleologiji“, diplomski rad, 1999

 

Atomi i memorija

1 bit staje u 12 atoma

Istraživajući granice memorije IBM istraživači u oblasti nanotehnologija su napravili najmanju magnetnu memoriju na svetu koristeći samo 12 atoma. To je zapanjujuće malo u odnosu na uređaje koji danas koriste 1 milion atoma da bi sačuvali 1 bit informacije. Bit je najmanja informacija koju kompjuter može da razume i ima samo dve vrednosti 1 ili 0.

Mogućnost manipulacije materijom na nivou osnovnih gradivnih komponenti – atom po atom – može voditi ka značajnom razumevanju kako izgraditi nove, brže i energetski efikasnije uređaje. Buduće aplikacije na nanostrukturi i primena nekonvencionalnog magnetizma (antiferomagnetizma) mogu omogućiti čuvanje 100 puta više informacija u istom pristoru.

Kako to radi?

Magnetizam atoma potiče od  spina elektrona. U spoljašnjem magnetnom polju spinovi se grupišu u istom smeru (što se koristi za memorisanje informacija). Feromagneti su se dobro pokazali za čuvanje podataka ali je pri proučavanju granice memorije najveći izazov bio izbeći međusobni uticaj spinova.  STM mikroskopom (Scanning Tunneling Microscope) istraživači su izdejstvovali grupisanje 12 antiferomagnetnih spojenih atoma na niskim temperaturama koji su memorisali 1 bit informacije.

Pisanje i čitanje magnetnih bitova

Slika pokazuje magnetne bitove prikazane 5 puta u različitim magnetnim stanjima za čuvanje ASCII koda za svako slovo reči THINK. Istraživački tim je to postigao sa 96 atoma gvožđa – 1 bit je sačivan u 12 atoma i ima 8 bitova u svakom bajtu.

ibm_think

ASCII kod za slova reči THINK, rezultat postignut sa 96 atoma gvožđa; 1bit je sačuvan u 12 atoma, slika: http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/36473.wss

izvor: http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/36473.wss

Film Dečak i njegov atom

IBM eksperti su napravili film na nivou atoma – najmanji film na svetu – sa ciljem da promovišu nauku. Na filmu su radila četiri naučnika a radni dan je trajao 18 sati. Film traje 90 sekundi, ima 242 slike i oko 100 učesnika.

Glavni učesnici filma su atomi ugljenika. Atomi kreiraju slike na kojima se vidi dečak koji se igra sa loptom – atomom; dečak skače na trampolini, a zatim atom odleti u nebo i pretvori se u prepoznatljiv slogan IBM-a “Think”.

Pogledajte film:

Da li ste primetili talase na površini?

Zašto se oko svakog atoma formira slika talasa (kao kada se kamen baci u vodu)? Zašto se oko grupe atoma formira interferenciona slika (tipična za talase)?

Ti talasi su zapravo elektroni koji se nalaze zaglavljeni na površini podloge od bakra, kao što je prikazano na slici. Oni ne mogu da se vrate nazad ali ne mogu ni da napuste metal. Taj površinski nivo, dvodimenzionalnog elektronskog gasa se ponaša kao talas (isti onaj dvodimenzionalni talas koji vidimo na površini vode). To se događa zato što se broj elektrona u okolini atoma menja. Interferencione slike nastaju upravo zbog talasnog ponašanja dvodimenzionalnog elektronskog gasa (slično vidimo kada bacimo dva ili više kamena u vodu).

atom_decak

Elektroni zarobljeni u površini metala formiraju sliku 2D talasa na vodi, izvor: http://www.youtube.com/watch?v=bZ6Hv_du2Zo

Oblak oznaka

%d bloggers like this: