27. septembra 2020
Vločky.

Fyzika vločiek: dokonalý balans medzi chaosom a poriadkom

Hovorí sa, že žiadne dve snehové  vločky nie sú rovnaké. Skontroloval to však niekto? Asi nie, no ak ste ich za život videli aj milión, naozaj bola asi každá rôzna – niektoré sú veľké, iné malé, niektoré vyzerajú ako jeden veľký kryštál a niektoré majú kopu malý výrastkov. Bez preháňanie môžeme povedať, že ide o nespočítateľne veľa prenádherných tvarov – dokonalý príklad neporiadku a chaosu, každá ďalšia vločka je trochu iná no zároveň veľmi symetrická.

Klasifikácia vločiek podľa Nakaya.
Klasifikácia vločiek podľa Nakaya, 41 druhov. Zdroj.

Ak chytíte do rúk peknú vločku a otočíte ju o 60˚, vyzerá rovnako – to sa myslím pojmom symetria. Skúste nájsť vo svojom okolí iný predmet, ktorý ma takúto jasnú symetriu a zároveň podobne komplexný tvar – je to veľmi ťažké. A pritom takéto vločky vznikajú ako na páse. Kde sa v nich berie táto kombinácia chaosu a poriadku?

Typický ľadový kryštál.
Typický ľadový kryštál. Zdroj.

Základné princípy vzniku vločiek sa dajú vysvetliť v troch krokoch.

  1. Základný stavebný blok je ľadový kryštál. Takmer všetko ľad v atmosfére má šesťuholníkový tvar, čo vychádza z tvaru samotných molekúl vody, H20. Tú si môžete predstaviť ako hlavu Mickey Mousa – kyslík je hlava a dva vodíky sú ako uši, ktoré zvierajú fixný uhol 105˚. Základný stavebný blok je teda šesťuholník. Dodám ešte, že vločky na svoj vznik potrebujú niečo, čo ich vznik naštartuje – kondenzačné jadro, napr. zrniečko prachu, z ktorého začnú rásť.

  2. Ako tento šesťuholník rastie? Tak, aby mal čo najmenšiu vonkajšiu plochu. Ako to docieliť? Zoberte prvý šesťuholník a ku každej vonkajšej hrane prilepte ďalší. Ak máte k dispozícii ďalšie šesťuholníky, pokračujte ďalej, pridávajte ďalšie a ďalšie vrstvy. Čo vzniká vo výsledku? Jeden veľký šesťuholník. (Situáciu majú jednoduchú hráči Osadníkov z Katanu.)

    Iný, ekvivalentný, uhol pohľadu je, že každý ďalší dielik sa pripojí na čo najnerovnomernejšie miesto – na výrastok alebo do medzery. Vo výsledku tak vzniká útvar, ktorý má dlhé hladké hrany a čo najmenej rohov – čiže jeden veľký šesťuholník.

  3. Keď je šesťuholník dosť veľký, začne sa diať niečo nové. Jeho šesť rohov trčí von a to znamená, že sa na ne začne zachytávať viac molekúl vody z okolitého vzduchu – začína dochádzať k vetveniu. Zo šiestich hrán nášho šesťuholníka začínajú vyrastať dlhé ramená! Keď začnú tieto ramená dostatočne vytŕčať, postihne ich podobný osud – začnú sa vetviť.  Hotovo, máme krásnu veľkú rozvetvenú vločku.

Formovanie vločky teda pozostáva z dvoch krokov: rast a vetvenie. Tieto kroky sa môžu diať naraz a môžu sa opakovať. Prečo niekedy radšej rastú a niekedy sa radšej vetvia? Prečo sa niekedy nová molekula vody pripojí na kraj (a tvorí široké vločky) a niekedy zas na vrch (a tvorí dlhé ihly)? Na tieto otázky už neexistuje jednoduchá odpoveď. Ide o peknú, ale zložitú fyziku. Konkrétne detaily však výrazne závisia od teploty a vlhkosti vzduchu. A práve táto skutočnosť má na starosti chaoticko-symetrickú povahu vločiek.

Hrubý náčrt vzniku vločiek
Hrubý náčrt vzniku vločiek. Zdroj.


Počas svojho vzniku totiž prechádza vločka rôznymi miestami v oblaku – niekde je trochu vlhší vzduch, niekde trochu chladnejší a niekde naopak. Každá vločka prejde mierne rozdielnymi podmienkami a aj tie najmenšie rozdiely v teplote a vlhkosti sa prejavia na jej tvare. Vločky počas toho istého sneženia sú si podobné – vznikali pri podobných podmienkach – ale každá je unikátna, prešla v oblakoch trochu inou cestou.

Tvar vločky v závislosti od teploty a vlhkosti pri ktorej vznikali.
Tvar vločky v závislosti od teploty a vlhkosti pri ktorej vznikali. Zdroj.

Každá vločka cestuje trochu inak, no všetkých jej šesť ramien cestuje spolu a tak prechádzajú prakticky identickými podmienkami pre rast a vetvenie a tak všetkých šesť ramien bežne vyzerá rovnako. (Nemusí to však platiť vždy.)

Svet vločiek je extrémne zložitý, existuje podrobná klasifikácia, do ktorej sme sa ani nepustili a za každým z tvarov je bežne sofistikované a komplexné fyzikálne zdôvodnenie. Na druhej strane, pôvod chaotickej a symetrickej povahy vločiek sa dá celkom dobre pochopiť vďaka trom základným princípom: šesťuholníkovému tvaru, rastu a vetveniu. Je to nádherná ukážka toho, ako môže krása a komplexnosť vychádzať z úplne jednoduchých zákonov.  

[Samuel]

PS: Veľa o vzniku jednotlivých druhov vločiek sa dočítate tu a tu.

Identické vločky vyrobené v laboratóriu. Video.

Pridaj komentár