STAR WARS

1. STAR WARS

2. Epizod V Imperium Kontratakuje

3. Dawno, dawno temu w odległej galaktyce, miały miejsce zjawiska, o których nie śniło się fizykom...

4. Broń gwiezdnych wojowników, niezwykle skuteczna, ale czy realna? W każdej z niezwykłych przygód bohaterów Gwiezdnych Wojen widz może zachwycić się efektownymi walkami pomiędzy Rebeliantami a Imperium. Wojny są na tyle fascynujące, iż zamiast zwykłych naboi, którymi posługiwali się dotychczas ludzie w trakcie walki, bohaterowie science-fiction niszczą przeciwnika za pomocą świetlnej broni. Ciekawym zjawiskiem są widoczne dla ludzkiego oka pojedyncze wiązki strumienia laserowego, które niczym ołowiane pociski trafiają do celu niszcząc go. Efekty ich działania są bardzo zbliżone do znanej ludzkości broni palnej. Jednak istnieje pewna różnica. Wiązka laserowa porusza się z prędkością światła, zatem czy możliwe jest, abyśmy mogli zaobserwować gołym okiem lecący „laserowy pocisk” w powietrzu?

5. AT-AT Maszyny kroczące. Tajna broń Imperium.

6. Atak Imperium na wyspę Hoth. Działami laserowymi posługują się między innymi maszyny występujące w jednej ze scen V Epizodu: Na lodowatej planecie Hoth powstaje ukryta baza Rebelii, w której swą kryjówkę znajdują także Luke Skywalker, księżniczka Leia Organa i Han Solo. Pozory bezpieczeństwa znikają, gdy wysyłane przez Dartha Vadera sondy odnajdują Rebeliantów. Wojska Imperium wkraczają na Hoth i atakują ich bazę przy pomocy maszyn kroczących( dane w tabelce). Wtedy zostały one użyte po raz pierwszy. Lord Vader wysłał je, aby zniszczyły generator pola chroniący Bazę Echo. Broniący się Rebelianci zostali zaatakowani przez te urządzenia wiązkami laserowymi, których lot może zaobserwować każdy widz. Jednak zgodnie z powszechnie znanymi prawami fizyki jest to jedynie efekt specjalny, który dodaje większych emocji i sprawia, że walka wygląda bardziej zjawiskowo.

7. Scena z V epizodu Maszyny kroczące w akcji. Próba zdobycia wyspy Hoth.

8. Aby zrozumieć działanie lasera należy zapoznać się z podstawowymi pojęciami elektroniki kwantowej: Atomy posiadają różne stany energetyczne, na przykład: -podstawowy – o najniższej możliwej energii; -wzbudzony – na który atom przeszedł w skutek działania czynników zewnętrznych. Zostaje zmieniony poziom energetyczny z niższego na wyższy, czyli zjawisko nazywane absorpcją, czyli pochłaniania pewnej dawki energii. Naturalnym zachowaniem atomów jest powracanie na niższe poziomy energetyczne, czyli pozbycie się nadmiaru energii (albo przekazują ją kolejnemu atomowi w wyniku zderzenia, bądź emitują fotony) . Jest to zjawisko emisji samorzutnej. Emitowane fotony mają energię równą różnicy poziomów energetycznych atomów (E1 – E0). Jest to światło o ściśle określonej częstotliwości drgań, a zatem i barwie.

9. Co to właściwie jest laser? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli w przetłumaczeniu wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania (w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu – fali optycznych) Głównymi elementami są : • Ośrodek czynny – specjalny materiał lub gaz, w którym zachodzi emisja wymuszona (atom w procesie emisji spontanicznej emituje foton, który natrafiając na inny wzbudzony atom, powoduje jego przejście na stan podstawowy, wymuszając tym wytworzenie drugiego takiego samego fotonu), atomy ośrodka mają specjalną właściwość - więcej z nich znajduje się w stanie wzbudzonym niż podstawowym (inwersja obsadzeń), posiadają przynajmniej trójpoziomowy układ stanów energetycznych, a także poziomy energetyczne metastabilne, na których atom w stanie wzbudzonym może pozostać dłużej. Zachodzi wtedy większe prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska emisji wymuszonej • Źródło energii– rozpoczyna proces powstawania wiązki laserowej. Przykłady: reakcje chemiczne, działanie lamp błyskowych, diody półprzewodnikowej lub innych laserów, przepływ prądu, promienie słoneczne. • Rezonator optyczny - składający się zwykle z dwóch zwierciadeł jednego całkowicie odbijającego, a drugiego częściowo przepuszczającego

10. Proces powstawania wiązki laserowej 1. pompowanie (dostarczenie energii do układu) -> elektrony przechodzą w stan wzbudzony, pochłaniają energię, występuje zjawisko absorpcji, zachodzi inwersja obsadzeń 2. emisja spontaniczna, podczas której powstają fotony; niektóre z nich powodują emisję wymuszoną 3 .fotony biegnące prostopadle do zwierciadeł odbijają się od nich wielokrotnie - proces lawinowego narastania promieniowania; 4. w efekcie końcowym powstaje wiązka światła laserowego, która opuszcza układ przez zwierciadło częściowo przepuszczalne.

11. Światło lasera różni się od zwykłego, gdyż jest jednobarwne (monochromatyczne), czyli składa się wyłącznie z promieni o jednakowej długości fali, biegnących w tym samymkierunku, zsynchronizowanych ze sobą i jest widoczne w postaci wiązki o bardzo czystym kolorze. Co więcej wiązka lasera nie rozszerza się i pozostaje spójna nawet na dużych odległościach.

12. Właśnie w takie wiązki autor Gwiezdnych Wojen wyposażył niszczące działa. Narzuca się jednak pytanie. Skoro wiązka laserowa porusza się z prędkością światła (tj. w przybliżeniu c= 300 000 000 m/s) to czy oko ludzkie jest w stanie zaobserwować lot „świetlnego pocisku”? Biorąc pod uwagę odległość pomiędzy źródłem ataku a jego celem czas przelotu takiej wiązki byłby niewiarygodnie krótki. Zatem zaraz po wystrzale trafiony obiekt powinien natychmiast zostać zniszczony. Brakowałoby wtedy efektów, które uczyniły „Gwiezdne wojny” fenomenem aż po dzisiejsze czasy, dlatego realizatorzy filmu musieli pozwolić sobie na małą nieścisłość odbiegającą od zasad powszechnie znanej nam fizyki;)

13. Nieubłagalnie płynący czas Przyjrzyjmy się dokładniej „pociskom” laserowym. Rozpatrzmy ile czasu zajęłoby pokonanie odległości 1 km wiązce laserowej: s= 1000m c= 3*10 8 m/s t = s/c = 1000/300 000 000 = 0, 000003 s !! Jest to niewiarygodnie, krótki czas. Zwykłe pociski poruszające się z prędkością równą około 850 m/s potrzebowałyby zaledwie 1,18 sekundy, aby dotrzeć do celu. Nawet gdyby maszyny AT-AT posługiwały się taką bronią, ludzkie oko nie jest w stanie zarejestrować lotu pocisku, a co dopiero gdy jest to wiązka laserowa. Jedyne co powinniśmy zobaczyć to efekt wystrzału.

14. Doświadczenie 1 Film 1 Przy wyłączonym świetle kierujemy strumień wiązki laserowej na ścianę. Następnie uruchamiamy i wyłączamy laser w krótkich odstępach czasowych, aby uzyskać efekt zbliżony do „wystrzeliwania pocisków świetlnych” przez bohaterów gwiezdnych wojen. Wynik: chociaż nie widzimy przelotu fali świetlnych obserwujemy ich działanie dopiero na ścianie w postaci mrugającej czerwonej kropki. Wniosek: Wiązka lasera jest niewidzialna dla ludzkiego oka, dopóki nie natrafi ona na przeszkodę i nie rozproszy się. Co więcej porusza się z taką samą prędkością co światło, zatem niemożliwe jest abyśmy widzieli przelot „świetlnego pocisku”, który został wystrzelony przez kroczące maszyny, podczas jednej ze scen Epizodu V. Uwaga: strumień byłby widoczny w zadymionym pomieszczeniu, ale jako ciągła linia, a nie jako krótkie odcinki.

15. Doświadczenie 2 Film 2 Jeżeli obraz zmienia się częściej niż co 0,1 s, nie jesteśmy w stanie rozróżnić poszczególnych szczegółów, przedstawionych na ekranie. Przelatująca wiązka laserowa zmienia swoje położenie znacznie szybciej, zatem nie moglibyśmy zobaczyć dokładnego miejsca, w którym znajduje się pocisk świetlny (tak jak na filmie). Obserwacje: Już przy znacznie mniejszej prędkości, wydaje nam się, że obraz „płynie”. Aby zaobserwować ten efekt wystarczy przymocować do wirownicy tarczę podzieloną na różnobarwne obszary. f =1800 obrotów/minutę=300 obrotów/sekundę R = 10 cm= 0,1 m ω = 2πf V= 2πfR =2* π*300*0,1 = 188,5 m/s Ta prędkość jest wręcz nieporównywalnie mała w zestawieniu z prędkością wiązki laserowej.

16. Czy tylko fikcja? Laser może mieć bardzo szerokie zastosowania. Używany jest za równo w medycynie, miernictwie, technologii przemysłowej, w chemii czy nawet w rolnictwie. Jednak ciekawym zagadnieniem jest jego wykorzystanie w technice wojskowej. Broń laserowa obejmuje w szczególności obszary kosmiczne, ponieważ nie blokuje jej tam atmosfera ziemska. Jak wiadomo światło laserowe można łatwo rozproszyć, zatem jego działanie na ziemi jest znacznie mniej skuteczne. Wyobrażenie o „promieniach śmierci”, które właśnie zostało zaprezentowane w filmie „Gwiezdne Wojny” jest mocno przereklamowane, bowiem broń laserowa w rzeczywistości to zwykle broń oślepiająca, a co najwyżej podpalająca. Choć jej precyzja umożliwi uszkodzenie wzroku wroga, czyniąc go całkowicie niezdolnym do prowadzenia działań bojowych, obecnie nie ma aż tak destrukcyjnej siły jak pociski laserowe wysyłane przez AT-AT. PHASR Airbone laser

17. Jednak z wraz z rozwojem techniki powstają coraz bardziej skuteczne rodzaje broni laserowej. Najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie: -zamontowanie na samochodzie lasera stałego o mocy do 2000 watów umożliwiającego zniszczenia niezakopanych min z odległości nawet 250 m (2002) -ustanowienie rekordu mocy lasera stałego – aż 67 kW w 2007 roku (laser już o mocy 25 kW ciągu siedmiu sekund wypala otwór o powierzchni 2,5 cm2 w stali o grubości jednego cala!) -zbudowanie lasera do niszczenia rakiet, pocisków artyleryjskich i moździerzowych (Airbone Laser), - karabin PHASR (Personel Halting and Stimulation), który ma za zadanie oślepić wroga;

18. Broń laserowa to już nie tylko fikcja pisarzy i scenarzystów. Ma ona wiele możliwości, które mogą zrewolucjonizować przyszła technikę wojenną. Jest to wynalazek o ogromnym zastosowaniu, lecz może zarówno wywrzeć pozytywny wpływ na ludzkość, jak i negatywny. Wykorzystywany w niewłaściwy sposób może być źródłem wielu ludzkich tragedii niczym odkrycie Nobla (dynamitu). Zatem warto wnikliwie poznać jego działanie, aby zapobiegać kolejnym błędom ludzkości. Bibliografia: 1.film Epizod V „Imperium Kontratakuje” 2. Ksiązki: - „Zaczęło się od lasera” Zdzisław Kazimierczuk, Nasza Księgarnia Warszawa 1985 - „Masery i lasery, nowe zdobycze elektroniki” Herman Klejman, Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej 1967 - „Lasery” Herman Klejman Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1974 3. Internet: -www.sith.pl/www/bots_pl/bractwo/akademia_walki/pages/bron.htm -wikipedia Filmy z doświadczeniami zostały wykonane w pracowni fizycznej I LO im. Tadeusza Kościuszki w Wieluniu (odtwarzają się po kliknięciu myszką na rysunek). Opracowała: Barbara Zimnowoda

19. Prezentacja zajęła II miejsce w konkursie „Fizyka da się lubić” organizowanym przez Polskie Towarzystwo Fizyczne Oddział Łódzki w ramach Festiwalu Nauki, Kultury i Sztuki, Praca dostępna na stronie: http://www.wfis.uni.lodz.pl