GYMNÁZIUM JANA NERUDY ZÁVĚREČNÁ PRÁCE STUDENTSKÉHO PROJEKTU Digitální fotografie ve fyzice
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti Armel Dzian, Berenika Sedláčková, Philip Stalker, Václav Urban
OBSAH 1. FOTOGRAFIE I. Abstrakt II. Fotografie obecně III. Fyzikální využití digitální fotografie IV. Historie digitální fotografie 2. EXPERIMENTY I. Turbulence II. Tlak vody III. Kapilarita 3. DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE A ASTROFYZIKA I. Záblesk GRB080319B II. Jiné gama záblesky III. ALMA IV. HST 4. ZDROJE 5. PROHLÁŠENÍ
1. FOTOGRAFIE I. Abstrakt Tato práce pojednává o digitální fotografii ve fyzice jak z hlediska využití, a to i v astrofyzice, tak i obecně o fotografii. Experimenty jsou konstruovány tak, aby se dalo pomocí digitální fotografie dokázat či zachovat důkaz o platnosti určitého fyzikálního jevu.
II. Fotografie obecně Fotografie (česky světlokresba nebo také malba světlem) jako taková je známa lidstvu přibližně od 5. století před naším letopočtem, kdy se v Číně objevily první takzvané „Camery obcury“ (česky temné komory), předchůdkyně dnešních fotoaparátů. Jednalo se o světlotěsné skříňky s jedním malým otvorem, kterým dovnitř procházel světelný paprsek. Ten na stěně naproti otvoru vytvářel obraz okolí. Obraz vytvořený takovouto temnou komorou byl ovšem převrácený vzhůru nohama a lidé jej nebyli schopni nijak uchovat pro další použití a proto se první fotografie jako objekt (a ne jen jako metoda promítání obrazu) objevily až o téměř dvacet pět století později. S fungující metodou, jak ustálit fotografii a mít ji tím pádem při ruce pro případné nahlédnutí někdy později, přišel v roce 1826 francouzský vynálezce Nicéphore Niépce, který ze svého okna pořídil camerou obscurou snímek krajiny zachycený na cínovou desku potřenou petrolejem. Poté se proces zachytávání a vyvolávání fotografií začal. Asi největší zásluhy na rozvoji fotografie mělo v historii 19. a 20. století sedm mužů – Jacques Daguerre (vytvořením prvního komplexního procesu vyvolávání nesoucím jeho jméno daguerrotypie), William Fox Talbot (vylepšením procesu vyvolávání vznikla kalotypie), George Eastman (založil firmu Kodak a umožnil zachytávání fotografií na svitkový film, čím ž se výrazně zlepšila kvalita výsledných snímků a bylo také o mnoho jednodušší s sebou nosit zamotaný film než skleněné desky), bratři Lumièrové (vyfotili první barevnou fotografie bez potřeby využití tří různých barevných filtrů a především vyfotili objekt pouze
jednou), a Willard Boyle s Georgem Smithem (vytvořili světlocitlivý CCD čip, který umožnil vznik digitální fotografie a částečně nahradil klasický fotografický film), kteří svými procesy, nápady a principy udělali z fotografie to, čím je dnes. Tím přispěli společnosti zjednodušením a zpřístupněním nového vyjadřovacího a uměleckého prostředku – fotografie. Fotografie ovšem nemusí mít své uplatnění pouze v umění. Její využití je velmi různorodé a každý by mohl přijít nejméně s pěti vlastními návrhy. Jako několik z mnoha příkladů si můžeme uvést fotografování do tištěných médií (co by byly noviny a časopisy bez fotografií), u bezpečnostních složek jako jsou policie a armáda (se silničními radary má zkušenost přinejmenším každý řidič a fotografie důkazů či míst činu už jsme párkrát určitě zahlédli), ve sportu (na milimetry přesné záběry, na kterých se zkoumá překročení cílové čáry, aby vyhrál opravdu ten nejlepší), v biologii (rychlý pohyb zvířat viditelný na několika fotografiích může pomáhat při zkoumání a dokazování stavby těla), v lékařství (protože rentgenový snímek je taky fotografie) či ve fyzice.
III. Fyzikální využití digitální fotografie A jak se tedy dá fotografie využít ve fyzikálních projektech a experimentech? Jak může fotografie pomoci k dokázání fyzikálních jevů? Co se nám podaří vysvětlit lépe za použití fotoaparátů než díky lidskému oku? K čemu všemu nám může pomoci fotoaparát? Pokud máme velmi rychlý jev, který nejsme schopný dobře analyzovat nebo jehož vlastnosti nedokážeme správně vypozorovat okem a nemáme přístup k ideálně zpomaleným záběrům, může nám fotoaparát nastaven na dostatečně rychlý expoziční čas velmi pomoci. Na jednotlivých fotografiích si můžeme prohlédnout jednotlivé fáze děje, zorientovat se podle toho a vyčíst potřebné informace. Pokud se naopak objeví nějaký extrémně pomalý jev, jehož vlastnosti nemůžeme dobře pozorovat, protože lidské oko si rychle zvykne na nové podmínky a nevšimne si takových rozdílů, pokud má objekt stále před očima, může nám pomoci fotografie. Nastavímeli si na fotoaparátu, aby pořídil snímek například každých třicet vteřin, a necháme ho na stativu proti objektu například hodinu, na konci bychom měli dostat 120 snímků. Ty můžeme ještě protřídit, například pokud si tam budou některé velmi podobné. Az toho, co za fotografie nám zůstane, můžeme potom posoudit vývoj jevu. A vzhledem k tomu, že digitální fotoaparát je i schopen zaznamenat, kdy byl snímek pořízen, můžeme dobře sledovat, jak rychle se situace vyvíjela, případně ve kterých částech či fázích pokusu se vyvíjela rychleji a kdy pomaleji. Digitální fotografie se ve fyzice dá využít ovšem i dalším způsobem. Jak je jistě známo, existuje mnoho míst, kam se například nesmí vstupovat s otevřeným ohněm či s určitými látkami, které by mohli ovlivnit naše zdraví poněkud negativně. A je nemálo fyzikálních pokusů, které potřebují využívat buď oheň, nebo přesně tyto látky (a v některých případech jistě i obojí). A tak se nám naskýtá možnost, vytáhnout fotoaparát a pečlivě dokumentovat celý proces výzkumu či pokusu. Poté už jen stačí fotografie promazat, roztřídit a přesunout je někam, co budeme mít po ruce kdykoli. Buď si to můžeme vytisknout (což je dražší) nebo nahrát na flash disk (k čemuž je ovšem zase potřebo počítač) a poté představit a vysvětlit na libovolném místě a komukoliv, aniž bychom jakkoli ohrožovali zdraví jeho a všech okolo. Když se chystáme provádět určitý pokus z oblasti fyziky a víme, že výsledek, nebo
podstatné informace a postřehy, budou velmi malé a že bychom nemuseli být schopni je zachytit pouhým okem a tím pádem by naše pozorování ztratilo smysl, či by se snížila jeho přesnost a účinnost, můžeme si pomoci fotografií. Vzhledem k tomu, že dnes se již digitální fotoaparáty vyrábějí na velmi vysoké úrovni, mají kvalitní zaostřování i na rozdílné a extrémní vzdálenosti, můžeme pořídit snímek přesně toho, co potřebujeme a přesně na takovou vzdálenost, která nám bude vyhovovat a můžeme výsledek či jeho detaily později prozkoumat nezávisle na jeho velikosti, protože máme svou přiblíženou a zvětšenou fotografii, která je schopná (pokud je ovšem dostatečně ostrá a kvalitní) nabídnout přesně to, co potřebujeme a co bychom nebyli sami schopni vypozorovat. Dalším sice velmi evidentním a primitivním, ale přesto nepostradatelným, využitím digitální fotografie ve fyzice, je stálost snímku. Pokud si potřebnou část nebo postup práce vyfotíme a budeme se opravdu soustředit na všechny detaily, které by se nám později mohly hodit na to, abychom z nich vyvodili nějaké použitelné závěry a řešení problémů na fyzikální otázky, může nám to velmi pomoci. I těm nejpozornějším a nejchytřejším se totiž může stát, že jim nějaká drobnost unikne, či že zapomenou přesnou polohu určité věci, přesný poměr, některou z výsledných hodnot a tak podobně. A v tu chvíli přichází na řadu již vytvořené fotografie, které nám ukážou a připomenou celý proces a jeho rozuzlení. A také si díky tomuto můžeme osvěžit celý pokus i o pár let později a rozhodně se nám podaří lépe pochopit postup a výsledky ze série fotografií, než z náčrtků (které mohou být dost často nepřesné, ať se snažíme jakkoliv) či z pouhého popisu.
IV. Historie digitální fotografie Jedním ze zlomových momentů v historii digitální fotografie byl rok 1957, kdy se začala prodávat první zrcadlovka od firmy Asahi Pentax. Kromě toho, v ten samý rok vznikl první digitální snímek, který na počítači vytvořil americký vědec R.Kirsche. O 2 roky později, přesně 14. srpna roku 1959, byly pořízeny první satelitní snímky Země americkou družicí Explorer 6, které by bez pomoci digitální fotografie nemohly vznikout. Tentýž rok byl vyroben první plně automatický fotoaparát, který se jmenoval Optima a pocházel od známé firmy AGFA. Rok 1961 přinesl první popis, jak udělat digitální fotografii pomocí fotosenzorů poskládaných do mozaiky. V roce 1963 se začal prodávat laciný fotoaparát Instamatic od firmy Kodak. Rok 1969 nepřinesl jen první fotografie z Měsíce. V tom samém roce byl totiž vynalezen CCD čip, na jehož principu funguje mnoho dnešních digitálních fotoaparátů a který nahrazuje světlocitlivý film klasických fotoaparátů. Začátkem sedmdesátých let sestavily Bellovy laboratoře první kameru, která využívala polovodičový obrazový snímač CCD. Zároveň byl spuštěn největší program pro získání obrázků Země z vesmíru (=Landstat) a v roce 1973 byl sestaven první velkoformátový CCD čip, který měl 100x100 sloupců. Další, co bylo pro digitální fotografii velmi důležité, byl vynález Bayerova filtru v roce 1975. Byla to spíše taková mozaiková matnice senzorů CCD v barevné fotografii. Prospěšné to bylo hlavně pro televizní vysílání. Roku 1980 kosmická sonda Voyager 1 pořídila fotografie Saturnu 300 000 000 km daleko od Země. V roce 1983 se konečně začaly používat CCD čipy v astronomických dalekohledech, čímž byl způsoben průlom do astronomie. O dva roky později byla představena první samozaostřovacví zrcadlovka s jednoduchou čočkou. V roce 1988 byl představen v Japonsku elektronický fotoaparát, který ukládal obraz
na magnetický disk. Rok 1988 ovšem také přinesl první počátky takzvaných ,,SELFIE´´ , jelikož americký taxikář a fotograf Ryan Weidman zveřejnil svůj projekt s názvem ,,In my taxi´´ což byla taková časosběrná série jeho autoportrétů se zákazníky. V 1990 firma Kodak převedla takzvané Photo CD. Jedná se o převádění obrazů z filmu na kompaktní disk. Lze je přehrát několikrát za sebou a uschová je to na mnohem déle. Na kompaktní disk se vešlo 100 fotografií o velikosti od 3 do 6 MB. V roce 1991bylo zdokumentováno hašení 900 naftových vrtů, které byly zapáleny Saddámem Husajnem a nebyl to jediný moment v historii 20. století, kdy rychle a daleko přesunutelná digitální fotografie přispěla k informovanosti vzdálenějších koutů světa. Samozaostřovací fotoaparát, který je ovlivňován okem uživatele byl představen v roce 1992 japonskou firmou Canon. V roce 1995 na velkoformátových snímcích začal pracovat italský fotograf. Roku 1997 začal německý fotograf Michael Wesely pořizovat fotografie s dlouhým expozičním časem. Někdy tento čas trval až 3 roky a on tím pádem musel samozřejmě používat fotoaparáty vlastní výroby. V roce 2006 let firma Dalsa vyrobila 111 megapixelový CCD senzor, který měl v té době největší rozlišení na světě. V ten samý rok společnost Polaroid zastavila výrobu produktů pro klasickou fotografii z důvodu nadměrného prodeje digitálních technologií. V roce 2007 byla v Iráku válka, a tak si americký fotograf Anthony Suau řekl, že tento moment zdokumentuje. Zdokumentoval odjezd 450 vojáků. Tyto fotografie měly velmi silný emotivní protiválečný náboj. V roce 2009 byla udělena Nobelova cena za fyziku za vynález polovodičového obvod u CCD. Cena byla udělena 6.října.
2. EXPERIMENTY I. Turbulence Teorie: „Turbulentní proudění je takové proudění, při kterém se proudnice navzájem promíchávají. Částice vykonávají při proudění složitý vlastní pohyb, který vede ke vzniku vírů“ Postup o Pro pozorování turbulentního proudění můžeme využít kouř (například z vonných tyčinek) o Nastavíme fotoaparát do potřebné pozice a nastavíme čas, po kterém se má opakovat pořízení snímku (případně fotíme ručně) o Zapálíme vonnou tyčinku o Když vonná tyčinka dohoří a nesloužila by už k tomu, k čemu jsme ji potřebovali, ukončíme pokus o Prozkoumáme fotografie a ověříme si, jestli opravdu vytvářejí očekávaný vír Závěr: Pohyb pozorovaného kouře z vonné tyčinky je opravdu složitý a poměrně nepravidelný. Na fotografiích je výborně vidět a také můžeme pozorovat měnící se směr jednotlivých proudů kouře.
II. Tlak vody Postup o Připravíme si prázdnou delší nádobu (pro praktičnost pozorování se hodí mělká či průhledná) o Do připravené, prázdné PET lahve uděláme tři dírky v pravidelném rozmezí a poté je přelepíme dobře těsnící lepenkou o Vezmeme PET lahev a postavíme ji před nádobu na nějaké vyvýšené místo o Připravíme si fotoaparát (nejlépe na stativ) o Nalijeme do PET lahve vodu na úroveň mezi první a druhou dírku o Od první dírky odlepíme lepenkou a pozorujeme, jak voda vytéká a kam do nádoby dopadá (můžeme místo i označit) a dokumentujeme fotografiemi o Doléváme vodu mezi druhou a třetí dírku a z druhé dírky odlepíme lepenku o Poté co dolijeme vodu až úplně nahoru nad třetí otvor a odlepíme lepenku o Sledujeme, kam dopadají jednotlivé proudy z jednotlivých dírek a případně si i místa označíme Závěr: V důsledku výšky vodního sloupce, který je stlačován, voda z nejnižší dírky, kde je tlak nejvyšší, vytéká nejdál. Naopak z dírky nejvyšší voda netryská a spíš jen teče po vnější stěně lahve. Na fotografiích (obzvlášť pokud si označíme místa dopadu vodu z jednotlivých dírek) může být tento rozdíl, udávaný tlakem vody, dobře pozorován. Toto funguje jen, když se podaří experiment, který pozorujeme. Nám se bohužel nepodařilo experiment úspěšně provést.
III. Kapilarita
Teorie: „Jako kapilarita bývá také označována vzlínavost, tedy schopnost látek vést kapalinu vzhůru (proti směru gravitačních sil) působením kapilárních sil.“ Postup o Vezmeme si například mísu s vodou o Připravíme si fotoaparát a nastavíme potřebný čas, po kterém má fotoaparát dělat snímky o Do vody začneme pomalu přilévat inkoust či jiné barvivo o Ponoříme kousek papíru do vody a držíme ho pořád ve stejné úrovni o Papír by se měl začít zabarvovat z větší části, než je ponořená, vzhledem k účinku kapilárních sil o Po ukončení pokusu si prohlédneme fotografie a můžeme pozorovat proces zabarvování květiny Závěr: Ověřili jsme si nejen, že pokus na vzlínavost opravdu funguje a také, že to jde pozorovat a dokázat pomocí digitální fotografie
3. DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE A ASTROFYZIKA Digitální fotografie jako zápis viditelného světla na světlocitlivé médium se dá využít v mnoha oborech astrofyziky. Pomocí fotografie můžeme analyzovat snímky a porovnávat je. Z rozdílů mezi snímky můžeme precizovat polohy planet, na které můžeme zaměřit teleskopy. Pomocí deformace dráhy světla gravitačně silným objektem se dají dokázat či vyvrátit teorie o relativitě. Tuto deformaci můžeme zachytit kamerou (vesmírným teleskopem) a důkaz opakovat. Pokud rozšíříme termín digitální fotografie i na jiné vlnové délky elektromagnetického vlnění můžeme analyzovat i jiné úkazy. Protože experimenty na této úrovni jsou složité a zpravidla vyžadují vesmírný teleskop, způsob ho dostat na oběžnou dráhu, sledovací stanici na zemi a obrovskou výpočetní kapacitu, popíšu místo toho program, který už existuje. Swift je obdoba vesmírného teleskopu. Je schopen zachytávat elektromagnetické vlnění o délkách záření gama, x, a viditelné světlo. Jeho hlavním účelem je nacházení gama záblesků, souřadnice místa nalezení pošle na zem, kde na souřadnice teleskopy automaticky zaměří. U gama záblesku se pozoruje délka trvání, intenzita, rudý posuv a doprovodné jevy. Délka trvání a intenzita záblesku pomáhají určit charakteristiku jevu ze kterého záblesk vznikl. Gama záblesky jsou spojeny s neutronovými hvězdami, supernovami a vznikem černých děr. Gama záblesk je zajímavý tedy nejen jako samostatný jev ale i jako indicie pro další výzkum. Nejintenzivnější zatím detekovaný záblesk byl záblesk GRB080319B. Rudý posuv pomáhá určit vzdálenost původu záblesku. Doprovodné radiové záření a světlo (vytvářeno průchodem záření přes plyny) mohou leccos vypovídat o jevu a jeho prostředí.
I. Záblesk GRB080319B Záblesk GRB080319B se pohyboval rychlostí 0.9999995c, což je skoro rychlost světla ve vakuu. Podle rudého posuvu se odhaduje vzdálenost zdroje na 7.5 miliard světelných let, a zároveň i před 7.5 miliardami let. Od informacích zaznamenaných o tomto záblesku se vyčetla forma gama záblesku – úzký silný střed, slabší, ale širší okraje. Specificitou bylo viditelné světlo vyprodukované zábleskem. 30 sekund po záblesku bylo světelné doznění záblesku viditelné pouhýma očima.
Grafické znázornění světelných emisí během záblesku Porovnání snímku před a při záblesku
Grafické znázornění formy záblesku
II. Jiné gama záblesky GRB 130427A obsahoval paprsek o energii 94 GeV, což i z hlediska elektromagnetického záření je obrovské množství energie – 3x více než světlo. GRB 090423 je zatím nejvzdálenější záblesk detekovaný a určený. Pochází ze vzdálenosti 1.3 miliard světelných let, neboli před 1.3 miliardami let explodovala hvězda která záblesk vytvořila. V té době byl vesmír starý jen 630 milion let.
III. ALMA Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array je projekt na kterém spolupracují NASA, ESA, Japonská vesmírná organizace a Chilská vláda. Jedná se o propojené roboticky ovládané antény, které zachytávají záření o mikroskopických délkách a obrazy ze všech 66 složí do jedno velmi přesného obrazu. Umístění ALMA se hledalo roky, nakonec se rozhodlo pro pohoří Atacama v Chile na náhorní plošině Chajnator, kde se předpokládalo nejnižší rušení ze strany atmosféry. Sítě antén se užívají pro zaměření na objekt objevený vesmírným teleskopem.
IV. HST Hubbleův vesmírný teleskop je nejznámějším svého druhu. Vznikl v roce 1990 jako spoluprojekt NASA a ESA, použitelná data vysílá už 20 let. Formou je to objektiv ze zrcadlovky, akorát s průměrem 2.4m. Je napojený na světové hvězdárny, které analyzují a upřesňují obrazy vytvořrné HST. HST je odpovědný za nespočet nalezených planet, hvězd a jiných těles. Dobarvené obrazy z Hubblova dalekohledu jsou mezi nejoblíbenějšími částmi vědy pro laické publikum, čehož mnoho popularizátorů vědy využívá.
4. ZDROJE http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/brightest_grb.html http://www.swift.ac.uk/ http://swift.asdc.asi.it/ http://swift.gsfc.nasa.gov/ http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/21mar_nakedeye/ http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2008/09/10_grbloom.shtml http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/10sep_nakedeye2/ http://arxiv.org/abs/0803.3215 http://arxiv.org/abs/0805.1557 http://heplx40.fuw.edu.pl/pi/ot/grb080319b/images.html http://heplx40.fuw.edu.pl/pi/ot/grb080319b/images.html http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/cosmic_record.html http://cs.wikipedia.org/wiki/Fotografie http://cs.wikipedia.org/wiki/Chronologie_fotografie http://www.zskom1.cz/view.php?cisloclanku=2010050011 http://www.pokusyprodeti.cz/pokusy/fyzika/20-mechanika/69-tlak-vody http://zajfyz.physics.muni.cz/index.php?web=kour http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/ http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Hubble_overview http://www.almaobservatory.org/
5. PROHLÁŠENÍ Prohlašujeme, že jsme tuto práci vypracovali samostatně, pouze s použitím uvedené literatury.
