Věda a technika v pozadí

Abychom dokázali přesně určit směr a vzdálenost, ze které přichází cvrkot cvrčka, musíme použít prostorové slyšení.

Teorie

Člověk má dvě uši, proto dostává mozek dvě nezávislé informace o zvuku. Z nich si pak na základě intenzity vnímaného zvuku vytváří zvukový prostorový vjem. Zdroj zvuku, který máme přímo před sebou (za sebou), vnímají obě uši stejně silně. Zdroje posunuté doleva nebo doprava vnímají uši s různou intenzitou. Proto při hledání zdroje zvuku natáčíme hlavu tak dlouho, dokud nesměřuje na zdroj a  my nevnímáme zvuk oběma ušima stejně intenzivně.


Prostorové slyšení.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Prostorová orientace sluchem je naučená! Mozek si musí zapamatovat, kdy a jak co slyší. Proto je schopen u známých zvuků určit, jestli přicházejí zepředu nebo zezadu – díky tvaru ušních boltců jsou zvuky zepředu deformované jinak než zvuky přicházející zezadu.

Zvuk přichází do každého ucha v jiný okamžik. Tato orientace dobře funguje u ruchů (klepnutí, lusknutí, ...), ale selhává u vysokých frekvencí. Vlnová délka 3 kHz zvuku ve vzduchu (při 20 °C) je 11 cm. Uši jsou 12 - 15 cm od sebe - od této frekvence už nedokážou rozlišit, jestli do nich současně přišla jedna vlna nebo dvě různé vlny současně. Mozek se nedokáže u příliš vysokých frekvencí prostorově orientovat.

Stejně jako u zraku i u sluchu může docházet k různým mylným vjemům a klamům. U prostorového slyšení se můžeme setkat s mylným vnímáním zdroje zvuku např. při sledování monofonní televize. Pokud zavřeme oči, můžeme jasně říci, že zvuk vychází z místa, kde je reproduktor. Pokud budeme ovšem televizi sledovat normálně, přijde nám, že zvuk vychází z úst herce. Jde o sluchový klam.

Ucho je složeno z ucha vnějšího, středního a vnitřního. K vnějšímu uchu patří boltec a zvukovod. Boltec zachycuje zvukové vlny a stíní zvuky přicházející zezadu. Tím napomáhá tomu, že dokážeme odlišit, zda zvuk přichází zepředu či zezadu. Zvukovod má takové rozměry, že je naladěn na frekvence v rozmezí 3 kHz až 4 kHz. Zvuky těchto výšek výborně slyšíme právě proto, že se rezonancí jejich intenzita ve zvukovodu zvyšuje na více než desetinásobek hodnoty, kterou má před boltcem. Zvukovodem se vede zvuk na pružnou blanku – bubínek (pružná asi 0,1 mm silná a 1 cm velká blána). Úkolem středního ucha (tři pružné kůstky – kladívko, kovadlinka a třmínek) je snižovat amplitudu výchylky akustických kmitů a převádět je k systému vnitřního ucha. Nervová zakončení, která snímají chvění, jsou v orgánu, kterému se říká hlemýžď. Je to spirálovitá trubice asi 3,5 cm dlouhá naplněná kapalinou – perilymfou, která leží v dutině v lebeční kosti. Na jejím začátku je malé oválné okénko, kterým zvuk přechází do kapaliny. Kapalina v hlemýždi je poměrně tvrdá – k tomu, aby se rozechvěla, je třeba značná síla, ale naproti tomu stačí jen nepatrná výchylka. Kdyby zvuk ze vzduchu dopadal přímo na toto okénko, téměř všechen by se odrazil, takže jen malá část jeho energie by se skutečně dostala do hlemýždě. Proto kladívko, kovadlinka a třmínek fungují jako páka, která spojuje bubínek s okénkem v hlemýždi. Bubínek je poměrně měkký, zvukové vlny ho rozechvívají sice malou silou, ale na poměrně velkou výchylku; velká část jejich energie se při tom v bubínku pohltí. Páka složená ze tří malých ušních kůstek pak malou sílu a velkou dráhu převede na velkou sílu a malou dráhu, a tak rozechvívá okénko v hlemýždi. Energie zvukového vlnění se kůstkami středního ucha přenáší na tekutinu ve vnitřním uchu. Zde vznikne stojaté vlnění, kterým se rezonancí rozkmitávají jemná vlákna sluchového nervu uložená na Cortiho ústrojí. Nejvíce se rozkmitá to vlákno, jehož vlastní frekvence je stejná jako frekvence dopadajícího vlnění. Sluchový vjem se přenáší pomocí elektrických impulsů do nervové soustavy. Střední ucho je spojeno Eustachovou trubicí s dutinou ústní, čímž se vyrovnává tlak na obou stranách bubínku. 


Struktura lidského ucha.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Zkuste tento pokus: vezměte pevně do zubů kapesní hodinky (klasické mechanické) a prsty si dobře zacpěte uši; místo tikotu hodinek uslyšíte těžké údery. Právě tak i hluší, kterým zůstalo zdravé vnitřní ucho, mohou tancovat podle hudby, protože zvuky přicházejí k jejich sluchovému nervu podlahou a kostmi. A stejně tak ostatní slyší náš vlastní hlas jinak než my.

Zajímavost z biologie:
I když krokodýli nemají ušní boltce, přesto dokáží určit z jakého místa přichází zvuk. Za tuto schopnost krokodýlů může kanál, který vede napříč jejich lebkou a propojuje oba ušní bubínky. Krokodýl tak dokáže srovnat čas, za který dopadne zvuk do pravého a levého ucha. U savců má tuto vlastnost na svědomí skupina neuronů v mozku.

Krokodýl.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Tamar Assaf. Public domain.

Věda a technika v pozadí

Sídlí vědomí v mozku nebo v srdci? Tak to byla otázka, která dlouhou dobu vládla vědeckým světem. Staří Egypťané mozku nepřikládali téměř žádný význam, a proto ho při mumifikaci vybírali nosní dírkou z lebky. René Descartes v 17. století hlásil, že uvědomělé myšlení není totéž co mozková tkáň. Až jeho současník, Thomas Willis – považovaný za zakladatele neurologie, jako první prohlásil, že mozek je sídlem mysli. Kromě toho tvrdil, že jednotlivé části mozku jsou sídlem různých poznávacích funkcí.

Teorie

Mozková tkáň je tuková a bílkovinná hmota ve tvaru přilby, která váží asi 1,4 kg (objem asi 1450 cm3), je zvrásněná jako houba na mytí a hustotou připomíná sražené mléko. Jak v této hmotě vznikají myšlenky, pocity a ukládají se vzpomínky? Základní funkční jednotkou mozku je neuron čili nervová buňka, kterých je asi 100 miliard a jsou soustředěny převážně v šedé kůře. Na těle neuronu dochází k příjmu signálů z okolních nervových buněk, zpracovávají je a následně generují nervový impuls, který putuje k dalším nervovým buňkám. Lidská nervová buňka v mozku má několik stovek až 200 000 nervových spojení s dalšími buňkami. Přenos signálů z buňky na buňku probíhá přes tzv. synaptická spojení. Podle posledních odhadů je lidský mozek schopen provést 38 biliard operací za sekundu. Jeho úložná kapacita je 3584 terabytů. 


Lidský mozek.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.

Mozek můžeme zkoumat několika lékařsko-fyzikálními metodami. První je pomocí elektroencefalografu, který registruje slabé elektrické proudy probíhající v mozku, nebo pomocí magnetické rezonance. Elektroencefalogram (EEG) je záznam elektrických projevů činnosti mozku, které jsou snímané z povrchu hlavy systémem několika elektrod. Průchodem přes relativně málo vodivou lebku je amplituda signálu zeslabena na úroveň řádově desítek mikrovoltů. Rytmus a tvar akčních potenciálů mozku není pravidelný, druh rytmu EEG závisí např. na věku, spánku, bdění nebo zdravotním stavu. Mezi základní typy elektroencefalografických vln jsou vlny alfa (frekvence cca 12 Hz), beta, theta a delta. Vlny alfa jsou charakteristické pro duševní a tělesný klid. Vlny beta představují rytmus zdravého člověka v bdělém stavu. Vlny theta se objevují jen u dětí. Vlny delta se projevují v průběhu hlubokého spánku. Pokud se projeví během bdění, pak ukazují na možnou nemoc.


Elektroencefalograf spícího člověka.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Mezi nejsložitější vyšetřovací metody patří magnetická rezonance. Principem této metody je počítačové sledování změn chování různých buněk v lidském těle při působení silného magnetického pole. Konstrukce zobrazovacích systémů vychází z fenoménu jaderné magnetické rezonance a jaderné magnetické rezonanční spektroskopie. Jaderná magnetická rezonance byla poprvé ověřena v roce 1946 Felixem Blochem a Edwardem Purcellem, nositeli Nobelovy ceny za fyziku v roce 1952. V roce 1971 byl získán první tomogram celého lidského těla.


Zleva doprava: lidský mozek, mozek nosorožce a mozek delfína.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.

Všechny mozky obratlovců jsou si vzájemně podobné, přesto vykazují značné odlišnosti – každý obratlovec má na svůj nervový systém jiné požadavky v souvislosti se svým způsobem života. U mozku ryb a paryb  jsou obě hemisféry nepatrné, došlo k velkému rozvoji mozečku, který kontroluje držení těla a rovnováhu. Mnohdy mozeček překrývá střední mozek a prodlouženou míchu. Ve středním mozku je u žraloků nápadné zrakové centrum. Mozek obojživelníků má nejnápadnější čichové laloky a má vyvinuté obě hemisféry, které obsahují šedou hmotu, střední mozek obsahuje zrakové laloky, mozeček je malý v souvislosti s menší pohybovou aktivitou obojživelníků. Mozek plazů už má velké hemisféry a mozeček. Hemisféry dosahují takových rozměrů, že se vydouvají všemi směry a překrývají jiné části mozku. Mozek ptáků má velmi rozvinutý mozeček, jehož funkce souvisí s letem. Poměr velikosti mozku savců k velikosti těla je zpravidla největší, což znamená, že u těchto obratlovců hraje mozek zásadní roli. Největší částí mozku savců je koncový mozek.


Porovnání mozků různých zvířat:
Zdroj: Instituto Cajal, journal.frontiersin.org.
Zajímavost z biologie:
Velký mozek není v živočišné říši samozřejmostí. Velký a výkonný mozek je totiž spojen se značnými náklady. Závisí na dostatečné velikosti těla, vysokém energetickém příjmu, dlouhém prenatálním vývoji a v náročné péči o dospívající jedince. Dále je velký mozek spojen s pomalejším vývojem a nižším počtem potomků.

Řezy mozků různých zvířat.
Zdroj: Instituto Cajal, journal.frontiersin.org.

Absolutně největší mozek ze všech žijících živočichů má vorvaň obrovský, jehož mozek váží 7,8 kg. Na druhém místě jsou sloni, jejichž mozek váží přes 4,7 kg. Na třetí příčce je plejtvákovec šedý s hmotností mozku 4,3 kg.
Velikosti mozků se liší podle velikosti živočichů, protože i mozek musí zachovávat určité měřítko. Dá se ale zjistit, zda má daný jedinec větší mozek, než by odpovídalo jeho rozměrům. Takovými druhy s největšími mozky jsou lidé, sviňuchy, sloni a velryby, z ptáků jsou to třeba papoušci. To, že má obratlovec velký mozek, ale ještě neznamená, že má vysokou inteligenci. Určitý vztah tu je a obratlovec s větším mozkem bude mít tendenci mít vyšší inteligenci než srovnatelně velký obratlovec, nicméně nedá se to zobecňovat. Stejně tak u lidí nebyl nalezen vztah mezi velikostí mozku a inteligencí.
V poměru k tělesné váze má dvojnásobný mozek oproti lidskému malý ptáček kolibřík. Naopak jeden z nejmenších mozků v poměru k tělesné váze mezi savci má koala. Je to zřejmě z toho důvodu, že mozek spotřebovává spoustu energie a koala se živí málo výživným blahovičníkem. Mozek koaly zabírá pouze polovinu lebeční dutiny a plave si tu jako švestka v kompotu. Dalším takovým živočichem je vodní živočich s podivným názvem dugong, který pro své tělesné proporce byl dříve zaměňován s mořskou pannou.

Věda a technika v pozadí

Zemětřesení je jakýkoliv pohyb země, bez ohledu na příčinu. Otřesy půdy bývají nepostřehnutelné, ale mohou být tak silné, že srovnají se zemí celá města.

Teorie

K zemětřesení dochází následkem uvolnění energie při pohybu litosférických desek, posunu hornin či jejich pukání. Někdy k zemětřesení dojde i po dopadu meteoritu nebo umělém výbuchu. Prostor, v němž zemětřesení vzniká, označujeme jako ohnisko zemětřesení. Jeho rozměry mohou dosahovat i několika set kilometrů. Vzhledem k rozměrům Země toto ohnisko nahrazujeme bodovým hypocentrem. Kolmý průmět hypocentra na zemský povrch je epicentrum zemětřesení.

Příčiny zemětřesení se pokoušeli lidé vysvětlit již v době 2000 let před naším letopočtem. První solidní vysvětlení podal John Michell po zemětřesení v Lisabonu v roce 1755. Tvrdil, že zemětřesní tvoří vlny, které vznikly díky posunu horninových masivů pod zemským povrchem. Konečnou rychlost šíření vln v zemském nitru odhadoval i Thomas Young.

V dávné nebo v méně dávné minulosti došlo k vzájemnému posunutí plastických hornin v zemské astenosféře, který v křehkých horninách litosféry částečně vyvolá napětí. Některé zlomy jsou aktivní i dnes a vykazují roční posunutí až několik cm. Některá aktivní místa jsou bez pohybu. To jsou nebezpečná místa zaklesnutí, v nichž se připravuje budoucí zemětřesení. Kinetická energie pohybu bloků se zde přeměňuje v potenciální energii deformace. Zemětřesení je pak rychlým uvolněním zaklesnutí. Takové zlomy je pak někdy vidět i na povrchu země. Např. v roce 1899 při aljašském zemětřesení došlo k jednorázovému vertikálnímu zdvihu až o 15 m. Z místa se pak šíří seismické – zemětřesné vlny. To jsou ale méně časté případy. Daleko častěji zemětřesení vznikají v hloubce až 720 kilometrů. Ta, jež se projevují na povrchu, ale nevznikají hlouběji než 70 kilometrů pod povrchem. Předpokládá se, že energie uvolněná při silnějším zemětřesení je řádově 1018 J. 


Letecký pohled na zlom v San Andreas, nedaleko Los Angeles.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Zemětřesení se dělí podle svého původu na řítivá (tvoří asi 3 % všech zemětřesení a vznikají propadnutím stropů podzemních dutin), sopečná (tvoří asi 7 % všech zemětřesení, jejich vznik souvisí se sopečnou činností) a tektonická (tvoří asi 90 % všech zemětřesení, jejich vznik souvisí s pohybem litosférických desek).

Seismické vlny zaznamenáváme velmi citlivými přístroji, tzv. seismografy. Při průchodu seizmických vln seismografem dochází k relativnímu pohybu mezi částí seismografu spojenou s vlnící se zemí a druhou částí, setrvačnou hmotou seizmografu, která má určitý stupeň volnosti pohybu. Seismografy jsou konstruovány k zaznamenání co nejširšího rozsahu frekvencí (lokální slabá zemětřesení mají frekvenci až do 60 Hz, silná vzdálená zemětřesení až setiny Hz).

Jestliže k měření použijeme víc seismických stanic, získáme z doby šíření jednotlivých druhů vln informace o rychlosti i směru jakéhokoli posunu. Na základě těchto informací pak můžeme lokalizovat ohnisko na dálku. Při husté síti seismických stanic je možné takové místo získat s přesností desítek nebo stovek metrů. Při řídké síti seismických stanic se chyba zvyšuje až na desítky kilometrů.

Jako zemětřesení označujeme jakékoli vychýlení seismografu. Není proto divu, že ročně jich je několik set tisíc. Intenzita podélných a příčných vln klesá se čtvercem vzdálenosti od zdroje, protože se šíří prostorem v kulových vlnoplochách. Jako poslední dorazí povrchová vlna, jejíž intenzita klesá se vzdáleností, protože se šíří v ploše v kruhových vlnoplochách. Z toho důvodu je také nejintenzivnější, má největší účinky.

Zajímavost z biologie:
Chvění země nemusí pocházet jen od zemětřesení. Šíří se zemí v podobě infrazvuku, který mohou slyšet např. sloni, psi, kočky, drobní hlodavci a další. Sloni navíc používají infrazvuk k vzájemnému dorozumívání. Mohou se tak slyšet až na vzdálenosti několika kilometrů. Medúzy vnímají infrazvuk pocházející z vln na hladině. Při blížící se bouřce mohou reagovat a vzdálit se od pobřeží. 

Slon indický.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Yathin S. Krishnappa. Under Creative Commons.

K vyjádření intenzity zemětřesení v epicentru se používají makroseizmologické stupnice, Mercalliho-Cancaniho-Siebergova (MCS – uvedená v následující tabulce), modifikovaná stupnice Mercalliho (MM - používá se hlavně v USA) apod.

Stupeň a označení zemětřesení Přibližný popis
I   registrace jen přístroji, člověk nepociťuje
II velmi slabé pociťují jen velmi citliví lidé ve vyšších poschodích budov, lehce zavěšené předměty se mohou chvět
III slabé citelnější pro lidi, v budovách vibrace
IV mírné vnímají lidé i mimo budovy, chvění nábytku, oken, zdí
V dosti silné chvění budov, kývání zavěšených předmětů, praskání okenních tabulí, thrliny v omítce
VI silné kolísání půdy, opadávání omítek, zřícení některých komínů
VII velmi silné trhliny ve zdech, vlny na vodní hladině, řícení komínů
VIII bořivé značné škody na budovách, trhliny v půdě, mění se hladina vody ve studních
IX pustošivé značné škody, řícení budov
X ničivé většina budov pobořena, zničeny mosty, hráze, železnice, sesuvy
XI zemětřesná katastrofa pobořeny všechny budovy, hráze, mosty, velké trhliny v půdě, změny toku řek, velké sesuvy
XII velká
zemětřesná
katastrofa
ve větším měřítku popis jako u XI. stupně, pohyby podél zlomů, předměty vyhazovány do vzduchu

 

V roce 1935 vyvinul americký seismolog Charles Francis Richter postup k hodnocení energie zemětřesení, která se vyjadřuje tzv. magnitudou. Jako měřítko si vzal výchylku fiktivního seismografu, který je umístěn ve vzdálenosti 100 km od epicentra zemětřesení. Skutečná zemětřesení se přepočítávají na tuto standardní situaci. Richterova stupnice není lineární, ale logaritmická se základem 10. Každý vyšší stupeň odpovídá 10násobně silnějšímu zemětřesení (např. stupeň 4 je 100krát silnější než stupeň 2). Richterova stupnice je shora neomezená, ale vyšší stupeň než 10 není reálný. Při síle 100 by se uvolnila energie, která by roztříštila zeměkouli.

Nejvyšší hodnota naměřená na Richterově stupnici je 9,5 (zemětřesení 1960 u pobřeží Chile). Zemětřesení 26. prosince 2004 mělo magnitudu 9,0 a bylo pátým nejsilnějším zemětřesením.

Oba typy stupnic jsou srovnány v následující tabulce.

M Uvolněná
energie (J)
Postižená
oblast (km2)
Průměrná
roční
frekvence
MCS
3 - 3,9 9,5 ∙ 108 – 4,0 ∙ 1010 1 950 49 000 0 - III
4 - 4,9 6,0 ∙ 1010 – 8,8 ∙ 1011 7 850 6 200 IV - V
5 - 5,9 9,5 ∙ 1011 – 4,0 ∙ 1013 39 000 800 VI - VII
6 - 6,9 6,0 ∙ 1013 – 8,8 ∙ 1014 130 000 120 VII - VIII
7 - 7,9 9,5 ∙ 1015 – 4,0 ∙ 1016 540 000 18 IX - X
8 - 8,9 6,2 ∙ 1016 – 8,8 ∙ 1017 2 080 000 1 XI - XII

 

Věda a technika v pozadí

V poslední době byla potvrzena souvislost paměti a inteligence s hraním na hudební nástroje. Při tom se procvičuje tzv. hudební paměť, kterou si otestujte jednoduchým testem.

Teorie

Základní veličiny, které nám v zapamatování zvuků pomáhají je výška a barva tónů. Výšku jednoduchého tónu udává jeho frekvence. Čím vyšší je frekvence tónu, tím má větší výšku. Slyšitelný zvuk u člověka má frekvenci od 16 Hz do 16 kHz (maximálně 20 kHz). U jednoduchého tónu určuje frekvence absolutní výšku tónu. U složeného zvuku, který obsahuje složky různých frekvencí, je výška dána základní tj. nejnižší frekvencí.

Vzhledem k tomu, že absolutní výšku tónu většinou nedokážeme přímo určit sluchem, zavádíme relativní výšku tónu. Je dána poměrem frekvence daného tónu k frekvenci tónu základního. Jako základní tón byl v hudební akustice mezinárodní dohodou hudebníků ve Vídni z roku 1885 stanoven tón o frekvenci 435 Hz, avšak nyní je to tón o frekvenci 440 Hz. Je označovaný jako komorní a. V technické praxi se jako základní tón používá tón o frekvenci 1 kHz a označuje se jako referenční tón.

O tom, že výška zvuku závisí na frekvenci se můžeme přesvědčit u sirén, jejichž konstrukcí se zabývali už Galileo Galilei a Robert Hooke. Např. siréna Savartova se skládá z několika ozubených kotoučů otáčivých na společné ose. Jestliže k zubům roztočené sirény přidržíme kartonový papír, vzniká zvuk tím vyšší, čím rychleji se siréna otáčí nebo čím více zubů má příslušný kotouč. Siréna Seebeckova se skládá z papírového nebo mosazného kotouče, na kterém jsou v soustředných kružnicích vyřezány stejně vzdálené otvory. Zvuk vzniká tím, že se za rovnoměrného otáčení sirény fouká zúženou trubicí proti otvorům určité kružnice. Frekvence zvuku je tím vyšší, čím rychleji se otáčí nebo čím více otvorů je v použité kružnici. 


Savartova siréna.
Zdroj: STROUHAL, Č. Akustika. 1. vydání. Praha: nákladem Jednoty českým matematiků, 1902.
Zajímavost z biologie:
Letící hmyz kmitá křídly i několiksetkrát za vteřinu a vydává bzučivý zvuk. Křídlo je v tomto případě vlastně kmitající destička vydávající tón určité frekvence. Proto, když chceme zjistit kolikrát za vteřinu ten který brouk mávne křídly, stačí zjistit výšku tónu, který vydává. Zjistilo se, že každý hmyz má kmitočet křídel téměř neměnný. Hmyz řídí let tím, že mění jen velikost rozkmitu ("amplitudu") a sklon křídel, kdežto počet kmitů za vteřinu se zvyšuje jen vlivem chladu. Proto také tón, který hmyz při letu vydává, se nemění. Bylo například zjištěno, že moucha domácí (vydávající za letu tón f) udělá za vteřinu 352 kmitů, čmelák mávne křídly za tutéž dobu 220krát. Včela letící bez zatížení vydává tón a, mávne tedy křídly 440krát za vteřinu, je–li však obtížena medem, jen 330krát (tón e). Brouci vydávají při letu nižší tóny a pohybují tedy křídly pomaleji. Zato komár mávne křídly 500 – 600krát za sekundu. Pro srovnání uveďme, že vrtuli letadla “stačí” už asi 25 otáček za sekundu.

Včela.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Barva zvuku umožňuje subjektivně rozlišit tóny stejné výšky, které vydávají různé zdroje, např. hudební nástroje. Říkáme, že zvuky hudebních nástrojů i lidské hlasy mají různé zabarvení. Každý zvuk jehož průběh je přibližně sinusový se nazývá tón. Tóny vydávají např. ladičky, flétny nebo tónové generátory. Podle Fourierovy teorie lze každý hudební zvuk rozložit na tzv. harmonické složky. Amplituda vyšších tónů harmonických je různá, ale podstatně menší než amplituda tónu základního. Výsledný zvuk je vlivem vyšších tónů harmonických pro daný zdroj zvuku zcela charakteristický. Čím více takových harmonických složek daný tón obsahuje a čím výrazněji tyto složky znějí, tím je barva tónu plnější, sytější. Když jsou z vyšších harmonických tónů silné jen některé, zvuk nabývá pronikavosti a lesku, jako například zvuk houslí. Tóny chudé na vyšší tóny harmonické znějí dutě, prázdně. Barvu tónu u jednotlivých hudebních nástrojů můžeme ovlivňovat tvarem a materiálem rezonanční skříňky. Tím se zesilují nebo zeslabují určité vyšší harmonické tóny.

Podle Fourierovy teorie lze libovolnou periodickou funkci s periodou T zapsat jako lineární kombinací harmonických funkcí s periodami T/n, kde n je přirozené číslo. Právě koeficienty v této lineární kombinaci matematicky popisují barvu tónu. Frekvence odpovídající n = 1 se nazývá frekvencí základní, frekvence odpovídající přirozeným násobkům této základní frekvence fn = nf nazýváme vyššími harmonickými frekvencemi, výsledek analýzy nazýváme frekvenční spektrum.

Věda a technika v pozadí

Člověk dokáže očima vnímat pouze viditelné světlo v rozsahu 390 nm – 790 nm. Naopak hadi mají velice chabý zrak a dokonce i sluch. Proto se musí spoléhat na jiné smysly, třeba speciální čichový Jacobsonův orgán, který se nachází na horním patře ústní dutiny. Funguje tak, že had si o něj otírá jazyk a speciální chemoreceptory analyzují, co je kolem nich. Chřestýši, někteří hroznýši a krajty mohou pomocí obličejových termoreceptorů – tepločivných jamek, které jsou umístěny mezi okem a nozdrami, zaznamenat nepatrné změny teploty vzduchu, tedy registrovat infračervené záření.

Teorie

Vlnová délka infračerveného záření je větší než u světla, leží pod (infra = pod) červeným světlem (1012 – 1014 Hz; 800 nm – 400 · 103 nm). Infračervené záření objevil William Herschel v roce 1800, když zkoumal sluneční spektrum. Pomocí přesného teploměru se začerněnou baňkou zjistil, že rtuť vystoupila nejvýše v místech za červenou barvou tam, kde lidské oko nevidí už nic. Správně usoudil, že nalezl oblast nového neviditelného záření, které podle zjištěných účinků nazval zářením tepelným. 


William Herschel.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Infračervené záření vyzařují všechna tělesa. I naše tělo září, v porovnání se Sluncem ovšem na větších vlnových délkách (cca 10 μm). Lidské oko není citlivé na tyto vlnové délky, protože samo lidské tělo, tedy i nitro oka, září a oko by bylo oslepeno svým vlastním zářením. Infračervené záření má výrazné tepelné účinky, pro člověka je sice neviditelné, ale registrujeme je jako tepelný vjem. Infračervené záření vyvolává v místě absorbce zahřátí tkáně, což způsobuje pocit tepla a pálení. Nejvýraznějším přímým účinkem krátkovlnného infračerveného záření (pod 1,5 μm) na kůži při vyšším jednorázovém ozáření je spálenina. Prakticky se však nevyskytují, neboť bolest v místě ohřátí tkáně vede k úhybné reakci

Zajímavost z biologie:
Některé druhy hadů mají vedle „obyčejných“ očí i detektory infračerveného záření - tepločivnou jamku, umístěnou mezi okem a nozdrami. Uvádí se, že tyto detektory jsou citlivější než jakékoliv jiné detektory infračerveného záření vyrobené člověkem. Citlivost zasahuje až do vlnové délky 10 μm a princip jejich činnosti není dosud zcela jasný. V žádném případě se však tyto druhé oči ani nepřibližují schopnostem očí pracujících ve viditelném světle. Infračervené oči hada nevytváří obraz na sítnici jako oko, ale poskytují omezené prostorové rozlišení podobným způsobem jako složené oko hmyzu. Infračervených detektorů je na hlavě hada několik a každé vidí jen omezený prostorový úhel. Rozeznávají teplotní rozdíly tisícin stupně mezi předmětem  a jeho okolím. Tak had získá velmi přibližnou představu o zdrojích infračerveného záření v jeho blízkosti. Těmito zdroji mohou být teplokrevní živočichové – hadem lovená kořist. Had je schopen odlišit živé (tj. teplé) tělo od mrtvého na vzdálenost 5 – 10 cm. Tato schopnost umožňuje hadům s úžasnou přesností útočit na kořist, vyhýbat se predátorům a vyhledávat místa, kde se mohou vyhřívat. 

Chřestýš brazilský.
Zdroj: commons.wikimedia.org.

Některé druhy organismů, např. lososi nebo třeba skokan volský, mají jinou schopnost vnímání infračerveného záření. Dokáží pomocí enzymu Cyp27c1 přepínat mezi viděním normálním a infračerveným, které je výhodnější v kalné vodě. 

Pro infračervené záření platí stejné zákony jako pro světlo. Můžeme sestrojit optické soustavy, které používají optické prvky (čočky) zhotovené ze speciálních materiálů (např. NaCl). Můžeme tak sestrojit dalekohled nebo fotoaparát a využít důležité vlastnosti infračerveného záření procházet zakaleným prostředím (mlhou, tmou apod.). Ke sledování úniků tepla se používají termokamery, které se skládají ze soustavy mikrobolometrů. Bolometr je elektronická součástka, jejíž funkce je založena na vlastnosti některých polovodičů měnit s rostoucí teplotou rezistivitu. Právě hodnota rezistivity a tím i výstupního proudu se na displeji přeměňuje na určitou barvu odpovídající teplotě.

Záznam ulice v oblasti infračerveného záření.

Fotografie v oblasti infračerveného záření.

Věda a technika v pozadí

Při sportovních disciplínách si sportovci při skoku pomáhají různými  způsoby – rozběhem, tyčí, potenciální energií apod. Pokud člověk skáče z místa, pak do dálky naměříme asi 3 m a do výšky 1,65 m, ale to jen u opravdu zdatných jedinců. Pro člověka je daleko přirozenějším stylem pohybu chůze nebo běh.

Teorie

Pro snadnější popis chůze a běhu předpokládejme, že člověk stojí na jedné noze, například na pravé. Představme si, že zvedá patu levé nohy a současně naklání trup vpřed. V takovém postavení nesměřuje těžnice na plochu základny a člověk musí upadnout vpřed. Ale sotvaže začal tento pád, levá noha, která se octla ve vzduchu, se rychle pohybuje vpřed a staví se na zem před těžnici, takže těžnice prochází nyní plochou, vytvořenou čarami, spojujícími opěrné body obou nohou; rovnováha se obnovuje, člověk postoupil, udělal krok. V této dosti únavné pozici může třeba zůstat. Chce–li však jít dále, nakloní své tělo ještě více vpřed, přenese těžnici mimo opěrnou plochu a v okamžiku hrozícího pádu znovu vysune nohu vpřed, tentokrát ne levou, ale pravou – nový krok atd. Chůze není proto nic jiného než řada pádů vpřed, předcházených včasným vysunováním nohy, která zůstala až dosud pozadu.


Pohyb těžiště při chůzi.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Při chůzi po vodorovném terénu dochází ke spotřebě energie, protože se při každém kroku nadzvedne těžiště o pár centimetrů. Zvednutí těžiště je částečně eliminováno máváním rukama, protože zvyšuje polohu těžiště v okamžiku maximálního vykročení a tak snižuje skutečnou hodnotu převýšení. Výsledkem je snížený výdej energie. I mávání rukama vyžaduje práci svalů, ale v činnost se zapojují svaly jiné a tak pomáhají odlehčit svalům nohou.

Běh se liší od chůze tím, že noha, stojící na zemi, se okamžitým energickým stahem svých svalů natáhne a vrhne tělo vpřed, takže se tělo na okamžik úplně oddělí od země. Pak znovu dopadne na zemi na druhou nohu, která se zatím rychle přesunula vpřed. Běh se tedy skládá z řady skoků z jedné nohy na druhou. Chůze se tedy liší od běhu tím, že stále zůstává jedna noha na zemi.


Lidský běh.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Zajímavost z biologie:
Mezi nejlepší zvířecí skokany patří klokan rudý, jelenec běloocasý (jelenovití) a irbis horský (kočkovití). Všichni tři dokážou na jeden odraz překonat i 15metrovou vzdálenost. Pro klokana je tento způsob pohybu nejen rychlý, ale v horkém australském podnebí i energeticky výhodný. Dokonce platí, že čím rychleji se pohybuje, tím méně energie spotřebuje. Výškovým rekordmanem je delfín skákavý, který dokáže vyskočit minimálně 6 m do výšky. Jeho pozemským konkurentem je jaguár, puma a levhart s výškou skoku 5,5 m.
Pokud bychom brali ohled na velikost těla, pak je jednoznačným rekordmanem obyčejná blecha. Ta při své výšce 2 mm je schopna překonat jedním skokem vzdálenost 35 cm a vznést se do výšky 20 cm. Toto jejich skokanské umění není závislé na síle svalů. Vyvinula se u nich mechanická pružina založená na smršťování rosolovité hmoty obsahující takzvaný resilin. Vazká tekutina se jako pružina zploští, jakmile se tělo stlačí dolů. Když se uvolní, zatlačí na šlachy na nohou, čímž se dosáhne rázu, který je v přepočtu dvacetpětkrát větší než u startující rakety. Blecha využívá brvy citlivé na pohyb, jimiž přesně odměří vzdálenost a směr skoku, a napumpuje si vzduch do speciálních vaků na nohách, který ji před doskokem zpomalí. 

Dospělá blecha.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.

Věda a technika v pozadí

Dokáže voda žonglovat s míčkem? Díky Bernoulliho rovnici ano. Stačí v exponátu Míčky správně umístit do proudu vody míček.

Teorie

Uvažujme potrubí, které se  v určitém místě sužuje. Tady dojde k nárůstu rychlosti, ale co se stane s tlakem? 


Veličiny popisující proudění vody v různých částech potrubí lišících se průměrem.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Tento problém poprvé formuloval Daniel Bernoulli. 

Bernoulliho rovnice vyjadřuje zákon zachování energie ideální kapaliny proudící ve vodorovné trubici. Platí i pro plyny. Ty ale při malé změně teploty mění své fyzikální vlastnosti – hustotu, viskozitu apod. a navíc na rozdíl od kapalin jsou stlačitelné. 


Daniel Bernoulli.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

Základní tvar Bernoulliho rovnice platí jen pro ideální kapaliny, kde je průtok beze ztrát. Pro reálnou kapalinu se Bernoulliho rovnice doplňuje o ztrátovou výšku. Ke ztrátám dochází díky tření o stěny nádoby díky náhlé změně směru proudící kapaliny.

Z Bernoulliho rovnice vyplývá, že tlak proudící kapaliny klesá s rostoucí rychlostí. Při velkém zúžení trubice, kde rychlost proudu kapaliny značně vzroste, může tlak v kapalině klesnout tak, že bude menší než tlak atmosférický – v zúženém místě trubice vzniká podtlak. Jestliže v této zúžené části bude otvor, pak bude z okolí nasávat vzduch. Tento jev se také nazývá hydrodynamické paradoxon. Podtlak u proudícího vzduchu se využívá např. u rozprašovače, stříkací pistole, karburátoru nebo vodní vývěvy.

Zajímavost z námořnictví:
Na základě Bernoulliho rovnice můžeme vysvětlit „přitahování“ dvou rovnoběžně plujících lodí. Když plují dvě lodě spolu rovnoběžně, vzniká mezi jejich boky jakýsi kanál, v němž je v klidu voda a pohybují se stěny. V zúžené části kanálu proudí voda rychleji a působí na stěny – lodě menším tlakem. Ale na vnější stěny působí voda tlakem větším. Důsledkem je přibližování obou lodí.

Podobně funguje i exponát Míčky. Jestliže do proudu vody vložíme míček, pak se na jeho ploše vytvoří velmi tenký vodní film, vrstva vody se tedy zúží a tím i zrychlí. Podle Bernoulliho rovnice dojde ke snížení tlaku a chycení míčku do vodní pasti.

Unikátní záběry míčku umístěného do proudu vody.

Věda a technika v pozadí

Nejnápadnější částí vodního mlýnu je vodní kolo poháněné proudem vody, které patří k nejstarším mechanismům. Vodní kola se používala nejen k pohonu mlýnů, ale i u hamrů, pil atd. Rychlost otáčení vodního kola závisí na rychlosti proudu.

Teorie

Mlýn ze lžic představuje vodní kolo na spodní pohon, které připomíná vodní kolo od římského císařského architekta Vitruvia. Toto kolo vylepšil Jean Poncelet, který ve vodním kolu na spodní pohon nahradil rovinné lopatky lopatkami zakřivenými. Rázem se účinnost zvedla na 70 %. 


Vodní kolo na spodní pohon. 
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Maximální, teoretický výkon kterékoliv stroje poháněného tekoucí vodou je dán součinem průtoku a převýšení. Průtok představuje množství vody, které korytem proteče za jednotku času. Čím vyšší průtok, tím vyšší výkon. Čím větší je rozdíl výšek hladin mezi dodávkou vody a odtokem, tím vyšší je výkon stroje. Souvisí to s potenciální energií vody, která se po dopadu na lopatky mění na energii kinetickou.

Mezi obvyklé příslušenství mlýnů patří zejména: přívodní a odvodní kanál, retenční rybník a stavidla. Retenční rybník sloužil ke zvýšení průtoku v přívodním kanálu. Stavěl se tam, kde potok nebo říčka neposkytovala dostatečný průtok vody. V retenčním rybníku se postupně shromáždila voda, která pak byla vypouštěna v čase mletí pro zajištění dostatečného průtoku.

Mlýn nemusel být postaven jen pevně na zemi. Na rychlé, dravé řece se používaly tzv. lodní mlýny, které nepotřebovaly žádné převýšení. Využívaly kinetickou energii proudící vody. Která vzniká ze samotného převýšení řeky na krátkém úseku. Tento typ je ve využívání energie vody nejméně efektivní, je však také nejméně investičně náročný. V Čechách se prakticky nevyskytoval.


Lodní mlýn.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Vodní kolo bylo na našem území výhradním zdrojem energie až do 19. století (s výjimkou pár větrných mlýnů). Na přelomu 18. a 19. století ho pomalu začal vytlačovat parní stroj, který ke své činnosti nepotřeboval tak vydatný zdroj vody, a proto se mohly továrny a dílny stavět i ve velké vzdálenosti od řek. Poslední kapkou v životě vodních mlýnů bylo zavedení elektrické energie. Dnes jsou vodní mlýny většinou chráněnými památkami. Jejich databázi najdete na www.vodnimlyny.cz

Věda a technika v pozadí

Vír představuje rotující kapalinu nebo plyn buď po spirále nebo v kruhu. Často se k tomuto pohybu přidává také turbulence. 

Vzdušný vír způsobený průletem letadla, zviditelněný barevným kouřem.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: NASA. Public domain.

Teorie

Rychlost tekutiny v určitém bodě se nepravidelně mění co do velikosti i směru, mluvíme pak o turbulentním proudění. Anglický fyzik Osborne Reynolds konal pokusy se skleněnými trubicemi různého průřezu při různém tlakovém spádu. Zjistil, že o druhu proudění rozhoduje bezrozměrná veličina – Reynoldsovo číslo R, jež charakterizuje každý tok 

kde d je délka charakteristického rozměru tělesa (např. průměr trubice), ρ je hustota kapaliny, η dynamická viskozita, v střední rychlost kapaliny. Podle pokusů laminární proudění v hladkých trubicích přechází v turbulentní tehdy, když Reynoldsovo číslo dosáhne kritické hodnoty Rk. Měření ukázala, že Rk je asi 2000 (2400).

K překonání sil vnitřního tření působících proti pohybu reálné kapaliny je třeba konat mechanickou práci. Tato práce se koná na úkor kinetické i tlakové potenciální energie proudící kapaliny. Proto u kapalin s větší viskozitou je nutno udržovat jejich proudění velkým přetlakem pomocí výkonných čerpadel.

Význam čísla R není omezen jen na proudění tekutin v trubicích, ale má základní význam pro proudění tekutiny v prostorech obecnějšího tvaru a při pohybu pevných těles v tekutinách. Stejné zákonitosti platí i pro vzduch, pokud je rychlost značně menší než rychlost zvuku. Při otáčivém pohybu tekutin následkem snadné posunutelnosti jejich částic a vnitřního tření nastávají jiné poměry než při otáčení pevného tělesa. Známým příkladem otáčivého pohybu tekutin jsou víry, které lze pozorovat např. nad výtokovým otvorem vany, jako kouřové kroužky ve vzduchu. Víry vznikají při proudění vlivem vnitřního tření, ve vrstvě, která odděluje dvě proudění různých rychlostí, víry vznikají za pevnými tělesy, která jsou v klidu nebo se pohybují (pilíře mostů). Víry představují útvar značné stability, jsou vázány na hmotu a na mezní vrstvu.


Vodní vír.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Zajímavost z meteorologie:
Prudké vzdušné víry se také nazývají tromby, mají přibližně svislou osou otáčení a průměrem jednotek až stovek metrů a místní ráz. Ze silně zahřátého vzduchu se nad pevninami tvoří malé tromby, které dosahují výšek maximálně stovek metrů. Vznikají především na pouštích, v létě je lze pozorovat i v mírných zeměpisných šířkách. Projevují se jako prachové nebo písečné víry. Tromby se na území střední Evropy vyskytují jen výjimečně a v omezeném rozsahu. Častý výskyt je naopak v USA, kde se označují jako tornáda (ze španělského tornar – otočka nebo z latinského tornare – točit se). Každoročně jich v tzv. tornádové oblasti (nížiny mezi Apalačským pohořím a Skalnatými horami) vznikne až několik set.

Tornádo.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Daphne Zaras. Public domain.

Věda a technika v pozadí

Jak je možné, že dokážete jednou rukou, dokonce jedním prstem pohnout mnohaset kilogramovou žulovou koulí v našem exponátu?

Teorie

Koule plave v misce na velmi tenké vrstvě vody (řádově několik desetin milimetru). Hlavním důvodem tak velmi tenké vrstvy je bezpečnost – aby ani ty nejmenší prstíčky nevnikly do prostoru mezi koulí a miskou. Velmi tenká vrstva vody způsobuje, že jde koule velmi lehce uvést do pohybu a naopak velmi dlouho trvá než se sama od sebe zastaví. Mezi koulí a miskou je proto minimální tření. Jediné možné tření, které vzniká, je způsobeno viskozitou vrstvy kapaliny (na stejném principu pracují i válečková ložiska).


Kugel ball – žulová koule v Lansdale.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Benjamin D. Esham. Under Creative Commons.

Aby se koule udržela v levitujícím stavu, je nutné vyrovnat tíhu koule jinou silou směřující vzhůru. Tato síla vzniká díky tlaku vody a závisí na dynamické viskozitě vody, přítoku, poloměru koule a tloušťce vrstvy vody.


Síly působící na žulovou kouli.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Kamenná koule jako součást fontány.

Rezervace a nákup vstupenek

Recepce

Poradíme Vám s objednáním a nákupem vstupenek.