Защо Рудолф има червен нос Има десетки спекулации, но истината е само една - ВЪЗДЕЙСТВИЕ

Защо Рудолф има червен нос - категорични спекулации

По това време на годината е практически невъзможно да се избегне чуването на песента „Рудолф червеноносният елен“, емоционалната история на арктическо тревопасно животно, чийто нос излъчва червена светлина. Това може да звучи смътно ужасно, но песента има щастлив край.

Защо Рудолф има червен нос - категорични спекулации

„Рудолф с толкова светъл нос,

Няма ли да насочите шейната ми тази вечер? "

Сега тази история повдига всякакви въпроси. Има ли обаче добър ъгъл на физика към него, а именно защо носът му е специално зачервен? Има определено предимство да имате червен нос, вместо да речем, син или зелен в конкретния сценарий, описан тук.?

Малко физическа коледна магия

Сега сигурно си мислите: „Идиот, това е просто песен“. Той е „червен“, защото сканира по-добре. " Но всъщност има сериозна причина физиката на твърдото тяло да вярва, че червеният нос може да е по-добрият избор за водене през коледната нощ. Той е свързан и с физиката на синьото небе и цветните залези и с нашето разбиране за всички, следващи известна част от физическата коледна магия, известна като „анализ на размерите“.

Мъглата е, както знаете, без съмнение огромна колекция от малки капки вода, окачени във въздуха. Отделните капки са практически невидими, но заедно имат голям ефект върху пропускането на светлина през въздуха, което затруднява виждането много далеч. Мъглата не само затъмнява светлината, която идва към нас от далечни източници (като например светлините на училищния автобус), но добавя много шум към това, което виждаме да разсейва светлината от близките източници. Ето защо мъглата е видимо явление, въпреки че е доста трудно да се снима ефективно.

Физическо обяснение

Едно от първите добри обяснения на физиката, свързана с това, идва от работа от 1871 г. на британския физик Джон Уилям Струт, по-известен в историята като лорд Рейли. В „За светлината на небето, неговата поляризация и цвят“ Рейли предлага аргумент защо небето изглежда синьо, гледайки разсейването на светлината от микроскопични частици в атмосферата. Рели показва с прост и силен аргумент, че такива частици са много по-склонни да разсейват синя светлина, отколкото червената светлина. Аргументът всъщност е толкова прост, че изобщо не изисква знания за самите частици или подробностите за тяхното взаимодействие със светлината - всичко, което трябва да знаете, е, че те са много малки.

Аргументът на Рейли протича практически по следния начин: знаейки, че светлината е електромагнитна вълна, можем да мислим за светлина, разпръсната от една малка частица от гледна точка на входящ светлинен лъч и разсеяно светлинно поле. Това, което наистина ни интересува, е интензивността на светлината, разпръсната на определено разстояние от частицата и, удобно, има само няколко физически параметъра, които могат да повлияят на това: интензивността на входящата светлина, размера на частиците, състава на частицата (което можем да опишем чрез индекса на пречупване), дължината на вълната на светлината и разстоянието от частицата до мястото, където измерваме изходното поле.

Колкото по-ярка е светлината, толкова повече светлина може да излъчи

Сега е съвсем очевидно, че интензивността на изхода трябва да бъде пропорционална на интензитета на входа - колкото по-ярка е светлината, толкова повече светлина може да излезе - така че е лесно да се преброи. И Рейли посочи, че за частица, по-малка от дължината на вълната на светлината, всяко парче от частицата изпитва точно същото входящо електромагнитно поле и трябва да произведе същото изходно поле в отговор. Всички тези изходни вълни ще се добавят плавно, така че разсеяното поле трябва да бъде пропорционално на обема на частицата - колкото по-голямо е то, толкова повече неща са разпръснати и толкова по-силно ще излезе полето. Интензивността на светлината е квадратът на полето, така че разсеяната интензивност трябва да зависи от квадрата на обема.

Той се грижи за два от петте параметъра, които биха могли да имат значение за изчислението на разпространението - съпротивлението на падащото поле и размера на частиците. От основните принципи на физиката също знаем, че интензивността на изхода трябва да намалява с разстоянието съгласно закон на обратния квадрат. Това на практика е аргумент за запазване на енергията: общата енергия в изходната светлина на определено разстояние от частиците е просто интензивността на това разстояние, умножена по площта на сфера от този радиус, центрирана върху частиците. Ако увеличите разстоянието, площта се увеличава като квадрат на радиуса, но общата енергия не може да се промени, което означава, че интензивността трябва да намалее със същия коефициент.

Rayleigh - за петте параметъра

Това са три от петте възможни параметъра, които може да изглеждат безнадеждни. Но Рейли посочи, че останалите два параметъра се измерват в много различни единици. Дължината на вълната на светлината има единици за дължина (очевидно), но съставът на частицата не може да зависи от нейния размер, така че индексът на пречупване, който използваме, за да я опишем, не може да включва мерни единици. Което означава, че можем да разгледаме това, което знаем, и да го използваме, за да разберем как разсеяната светлина зависи от дължината на вълната.

Така че знаем, че съотношението между интензивността на изхода и интензивността на входа не може да има никакви единици (защото това е само част), както и двете неща, които определихме по-горе:

Тя трябва да зависи от квадрата на обема (измерен в квадратни кубически метри, което е шест метра в степен шест) и
Той трябва да слезе надолу като квадрат на разстоянието (квадратни метри). Така мерните единици в отчета, преди да преброят дължината на вълната, изглеждат (метри) 6/(метри) 2 (нещо общо с дължината на вълната) = (метри) 4 (нещо общо с дължината на вълната) . Трябва да отменим всички единици, така че "(нещо общо с дължината на вълната)" трябва да бъде "1/(дължина на вълната) 4". Според аргумента на Рейли, тогава интензивността на разсеяната светлина трябва да зависи от мощност над четвъртата степен на дължината на вълната.

Аргументът на Rayleigh придобива правилната зависимост от дължината на вълната

Не знаем как това зависи от състава на частиците (малко е сложно, както се оказва), но красотата е, че не е нужно. Аргументът на Рейли получава правилната зависимост от дължината на вълната, която наистина ни интересува тук, и го прави по толкова прост и мощен начин, че изглежда почти вълшебен.

Този тип анализ на размерите е мощен инструмент за мислене на физиката, а релеевото разсейване е един от най-добрите примери за неговото използване.

Какво общо има неоновите северни елени с него?

Е, червената светлина е в края на дължината на вълната на видимия спектър, с дължина на вълната около 600 нанометра. Обратната зависимост на четвъртата степен на релейното разсейване означава, че очакваме малки частици да разпръснат малко повече от пет пъти повече синя от червената светлина; това от своя страна означава, че червената светлина трябва да пътува пет пъти по-дълго от синята светлина (дължина на вълната около 400 нанометра) през въздуха с малки частици в суспензия.

Сега Рейли пише статията си много години преди Рудолф Червеният нос да бъде измислен като маркетингов трик за Macy, така че той не е мислил физически за това. По-скоро той мислеше за цвета на небето - синият цвят, който виждаме, когато гледаме хубав ден, е просто слънчева светлина, разпръсната от малки частици, окачени в атмосферата, които разпръскват много повече синя светлина от червената. Това е и причината, поради която слънцето залязва за нас - при залез слънцето преминава през много повече атмосфера и целият допълнителен въздух разпръсква синята светлина на части. Залезите изглеждат червени, защото по-късите дължини на вълните от слънцето са използвани, за да направят небето синьо за хората на нашия запад.

Яркочервеният нос на Рудолф насочва шейната на Дядо Коледа през Коледната нощ

Но тук пишем глупав коледен пост, така че можем да използваме същите основни разсъждения, за да измислим най-добрия начин за насочване на шейната на Дядо Коледа. И аргументът на лорд Рейли от 1871 г. предполага, че като се има предвид стадо летящи северни елени, чиито носове излъчват различни цветове светлина, най-добрият залог за шофиране в мъглива коледна нощ със закачлива скорост е този, чийто нос ярко червено.

По този начин Рудолф Червеният нос се вписва в историята, докато Ърнест Синьоносният Рен мързелува в тъмнината.