ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ Φυσικής - Τεχνολογίας

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ Φυσικής - Τεχνολογίας ΤΡΙΜΗΝΙΑΙΑ ΕΚΔΟΣΗ ΤΟΥ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΗΣ ΕΝΩΣΗΣ ΕΛΛΗΝΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ (Ε.Ε.Φ.) ΤΕΥΧΟΣ 1ο ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2010 Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων: Μικροσκοπικά υπολογιστικά συστήματα στο περιβάλλον μας Η έννοια του ηλεκτρικού φορτίου από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα Tο Ράδιο στα μεταλλικά νερά Πόσο μας ωφελούν τα μεταλλικά νερά ; Η πρόταση της Φυσικής για μια διδακτική προσέγγιση.. Οριοθέτηση φυσικής μεταφυσικής στον K.Popper και P. Duhem Η άφιξη του ipad στην Ελλάδα Σχέση Φιλοσοφίας - Προσώπων της Ιστορίας Η οικοδόμηση της έννοιας ΜΑΖΑ Όξινη βροχή Εργασία ομαδοσυνεργατική των μαθητών της Β Λυκείου του ΓΕΛ Λαγκαδά Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων: Μικροσκοπικά υπολογιστικά συστήματα στο περιβάλλον μας Νεότερη φιλοσοφία της Μουσικής Χέγκελ Γράφουν: Ευάγγελος Βαρβαρέσος, Βρυώνης Ηλίας, Αριστείδης Eμμανουηλίδης, Κοσμάς Ευαγγελόπουλος, Νικολέτα Καραμπότση, Αθηνά Καρολίδου, Κωνσταντίνος Παπαστεφάνου, Θοδωρής Πιερράτος, Χαρίτων Πολάτογλου, Νικόλαος Τουμανίδης, Αναστασία Τσώνη, Παυλίδης Σπύρος

2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Φυσικής Τεχνολογίας ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2010 Εκδότης: Υπεύθυνος ο πρόεδρος του Δ.Σ. του παραρτήματος της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών (Ε.Ε.Φ.) Κεντρικής & Δυτικής Μακεδονίας Εγγονόπουλος Παπαδόπουλος Βασίλειος ISSN: Ιδιοκτήτης Παράρτημα της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών (Ε.Ε.Φ.) Κεντρικής & Δυτικής Μακεδονίας Συντακτική Επιτροπή Εγγονόπουλος Παπαδόπουλος Βασίλειος Φουντά Αιμιλία Φριλίγγος Στυλιανός Πολάτογλου Χαρίτων Καραβάρης Αθανάσιος Σύμβουλος έκδοσης Γιαννουλάκης Θεολόγος Τα ενυπόγραφα άρθρα και κείμενα απηχούν τις απόψεις των αρθρογράφων και σαφώς δεν ταυτίζονται με την άποψη της συντακτικής επιτροπής του περιοδικό κατ ανάγκη Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων: Μικροσκοπικά υπολογιστικά συστήματα στο περιβάλλον μας Νικολέτα Καραμπότση, Νικόλαος Τουμανίδης Η έννοια του ηλεκτρικού φορτίου από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα Eμμανουηλίδης Αριστείδης Tο Ράδιο στα μεταλλικά νερά Πόσο μας ωφελούν τα μεταλλικά νερά ; Κων. Παπαστεφάνου Η πρόταση της Φυσικής για μια διδακτική προσέγγιση.. Ευάγγελος Βαρβαρέσος Οριοθέτηση φυσικής μεταφυσικής στον K.Popper και P. Duhem Αναστασία Τσώνη Η 2 άφιξη του ipad στην Ελλάδα Κοσμάς Ευαγγελόπουλος Σχέση Φιλοσοφίας - Προσώπων της Ιστορίας Αθηνά Μ.Καρολίδου Η οικοδόμηση της έννοιας ΜΑΖΑ Θοδωρής Πιερράτος, Χαρίτων Πολάτογλου Όξινη βροχή Βρυώνης Ηλίας Εργασία ομαδοσυνεργατική των μαθητών της Β Λυκείου του ΓΕΛ Λαγκαδά Εμμανουηλίδης Αριστείδης Νεότερη φιλοσοφία της Μουσικής Χέγκελ Αθηνά Μ.Καρολίδου, Η Γη ως ένα πολύπλοκο σύστημα συστημάτων Παυλίδης Σπύρος Σελ 3 Σελ 15 Σελ 23 Σελ 26 Σελ 29 Σελ 34 Σελ 37 Σελ 42 Σελ 50 Σελ 56 Σελ 62 Σελ. 66

3 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ: ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜΑΣ Νικολέτα Καραμπότση, Τεχνολόγος Εφαρμοσμένης Πληροφορικής & Πολυμέσων Νικόλαος Τουμανίδης Τμήμα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής Παν. Πατρών, Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, Συνεργάτης ΤΕΙ Κρήτης, Φυσικός Ραδιοηλεκτρολόγος ( M. Sc.) 1. Περίληψη Το όραμα της Πληροφορικής για τον 21 ο αιώνα είναι η ενσωμάτωση των υπολογιστών σε αντικείμενα καθημερινής χρήσης και η δημιουργία έξυπνων χώρων (smarts spaces) μέσα σε ένα περιβάλλον περιρρέουσας ευφυΐας (Ambient Intelligence). Όλα αυτά τα αντικείμενα θα μπορούν να έχουν πρόσβαση στο Ιντερνετ ή σε άλλα μεγάλης κλίμακας δίκτυα, ασύρματα. Η ταχύτατη εξέλιξη της Μικροηλεκτρονικής και της Επιστήμης των Υλικών επέτρεψε την κατασκευή μικροσκοπικών αισθητήρων, οι οποίοι μπορούν να μετρούν ένα πλήθος από διάφορα φυσικά μεγέθη, που σχετίζονται με το φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον, καθώς και με τον ίδιο τον οργανισμό μας. Η πληροφορία που συλλέγουν μπορεί να υφίσταται μια πρώτη επεξεργασία από ένα μικροσκοπικό υπολογιστικό σύστημα. Οι αισθητήρες και το μικροϋπολογιστικό σύστημα αποτελούν μια ενιαία μονάδα εξαιρετικά μικρών διαστάσεων που είναι κόμβος ενός ασύρματου δικτύου, με τη βοήθεια του οποίου οι μετρήσεις διαβιβάζονται σε μια κεντρική μονάδα, η οποία τα επεξεργάζεται, ώστε να ληφθούν σημαντικές αποφάσεις. Οι εφαρμογές των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι πολυποίκιλες: Συλλογή μετεωρολογικών και ωκεανογραφικών δεδομένων, παρακολούθηση κινήσεων μεμονωμένων ζώων και κοπαδιών, γεωργία υψηλής ακρίβειας, συστήματα ασφάλειας ευαίσθητων εγκαταστάσεων, έλεγχος τεχνικών κατασκευών για την πρόληψη καταστροφικών αστοχιών. Μια τέτοια «επανάσταση» δε μπορεί παρά να έχει και πολύ σημαντικές κοινωνικές συνέπειες: κίνδυνοι για καταστάσεις «Μεγάλου Αδελφού», αλλά και δυνατότητα παρακολούθησης από μακριά ηλικιωμένων και μικρών παιδιών, πιθανή ανεργία, αλλά και ορθολογικότερη αξιοποίηση του ανθρώπινου δυναμικού. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια επισκόπηση των σχετικών τεχνολογιών τόσο σε ό,τι αφορά το υλικό και το λογισμικό, όσο και την ασύρματη δικτύωση, των εφαρμογών και των κοινωνικών επιπτώσεων. 2. Ιστορία των δικτύων αισθητήρων Όπως το Internet, αλλά και πολλές άλλες τεχνολογικές εφαρμογές που αναπτύχθηκαν αρχικά για λογαριασμό στρατιωτικών προγραμμάτων και κατέληξαν αρκετά χρόνια αργότερα να έχουν μία ευρύτερη πολιτική χρήση, έτσι και τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ήταν μια στρατιωτική ιδέα για το μελλοντικό πεδίο μάχης. Το πρώτο δίκτυο αισθητήρων ήταν το Sound Surveillance System (SOSUS), το οποίο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στις αρχές τις δεκαετίας του 1950, κατά την διάρκεια του ψυχρού 3

4 πολέμου, για την ανίχνευση και τον εντοπισμό Σοβιετικών υποβρυχίων. Χρησιμοποιούσε ειδικά υδρόφωνα ως αισθητήρες. Το SOSUS βρίσκεται ακόμη σε λειτουργία και χρησιμοποιείται για ειρηνικούς σκοπούς (πχ. ανίχνευση σεισμικών δονήσεων και καταγραφή δραστηριότητας θαλάσσιων οργανισμών). Εικόνα 1. Η εξέλιξη των αισθητήρων [11] 3. Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (Wireless Sensor Network) είναι ένα ασύρματο δίκτυο το οποίο αποτελείται από μερικές δεκάδες ή χιλιάδες κόμβους (sensor nodes), οι οποίοι διασκορπίζονται στο χώρο με σκοπό να ελέγξουν τις φυσικές ή περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως θερμοκρασία, ήχος, πίεση, κίνηση ή οι ρύποι. Οι κόμβοι είναι μικροί σε μέγεθος, με χαμηλό κόστος και κατανάλωση ενέργειας. Επίσης αποτελείται από έναν ή περισσότερους σταθμούς βάσης (base station), όπου συγκεντρώνονται οι πληροφορίες που συλλέχθηκαν και υφίστανται επεξεργασία, καθώς δικτυακό εξοπλισμό. Ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελεί συνήθως ένα ασύρματο ad-hoc δίκτυο, που σημαίνει ότι κάθε αισθητήρας υποστηρίζει έναν αλγόριθμο δρομολόγησης πολλαπλών βημάτων (multi-hop), κατά την οποία οι ενδιάμεσοι κόμβοι προωθούν πληροφορίες στους γείτονές τους. Η επικοινωνία στα δίκτυα αισθητήρων είναι επικοινωνία εκπομπής (broadcast). Δηλαδή κάθε κόμβος εκπέμπει προς όλους τους γειτονικούς του και το σήμα του λαμβάνεται υπόψη μόνο από όσους «ενδιαφέρονται», με στόχο την αποστολή των δεδομένων στους σταθμούς βάσης, οι οποίοι έχουν απεριόριστο αποθηκευτικό χώρο και ενέργεια. Το μεγάλο πλεονέκτημα που προκύπτει από την εγκατάσταση ενός τέτοιου δικτύου, είναι ότι δεν είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση της τοπολογίας του. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει την ταχεία ανάπτυξη δικτύων αυτού του τύπου σε δύσβατες περιοχές. 4

5 Εικόνα 2. Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων [11] 4. Αρχιτεκτονική του Κόμβου Τα κύρια συστατικά από τα οποία αποτελούνται οι κόμβοι είναι ο αισθητήρας (sensing unit), η μονάδα επεξεργασίας (processing unit), ο πομποδέκτης (transceiver) και η μονάδα παροχής ενέργειας (power unit). Αναλυτικότερα: Η κύρια λειτουργία του sensing unit είναι να αισθάνεται ή να μετρά φυσικά μεγέθη. Η αναλογική τάση στην έξοδο του αισθητήρα, ψηφιοποιείται από τον αναλογικοψηφιακό μετατροπέα (analog-to-digital converter, ADC) και μεταφέρεται στο processing unit για επεξεργασία. Το processing unit είναι η καρδιά κι ο εγκέφαλος του κόμβου. Επεξεργάζεται τα δεδομένα που δέχεται από τον αισθητήρα, αποφασίζει πότε και πού θα τα στείλει, δέχεται δεδομένα από άλλους κόμβους και καθοδηγεί τους actuators. Εκτελεί δηλαδή ένα πλήθος προγραμμάτων, από επεξεργασία σήματος και επικοινωνιακά πρωτόκολλα μέχρι προγράμματα εφαρμογών. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τον αισθητήρα υφίστανται μια πρώτη επεξεργασία στον κόμβο, έτσι ώστε το δίκτυο να μπορεί να λειτουργήσει και με χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Στα δίκτυα αισθητήρων η μετάδοση των δεδομένων γίνεται με τη χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (RF). Ετσι σε κάθε κόμβο υπάρχει ένας πομποδέκτης (tranceiver) που λειτουργεί (συνήθως) στην περιοχή 433MHz μέχρι 2.4GHz και μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα σε ραδιοκύματα και το αντίστροφο. Εξάλλου ο πομποδέκτης πρέπει (με τη βοήθεια κατάλληλων ολοκληρωμένων) να υλοποιεί και το πρωτόκολλο ασύρματης δικτύωσης που επιλέχθηκε για το δίκτυο αισθητήρων. Εκτός από τα «κλασικά» πρωτόκολλα ΙΕΕΕ (Wi-Fi) και (Bluetooth), ολοένα και περισσότερο χρησιμοποιείται το (ZigBee). Αυτό σχεδιάστηκε για ασύρματα δίκτυα μικρής έκτασης, με μικρές απαιτήσεις bitrate, όπως τα δίκτυα αισθητήρων. Για τον περιορισμό της απαιτούμενης ισχύος οι πομποδέκτες αδρανοποιούνται όταν δεν έχουν να στείλουν ή να λάβουν δεδομένα και 5

6 «ξυπνούν» με κατάλληλο σήμα του μικροελεγκτή ή όταν έρχονται σήματα από άλλους κόμβους (wakeup radio). Η «αχίλλειος πτέρνα» των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι η αδιάλειπτη παροχή ισχύος, με δεδομένο ότι, σε αρκετές περιπτώσεις οι κόμβοι μπορεί να βρίσκονται σε δυσπρόσιτα για τον άνθρωπο σημεία. Οι κόμβοι είναι σχεδιασμένοι ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν με κοινές αλκαλικές μπαταρίες. Όμως η συχνή αντικατάστασή τους δεν είναι πάντα εφικτή. Η λύση του προβλήματος θα μπορούσε να είναι (και γίνεται εντατική ερευνητική προσπάθεια σ αυτήν την κατεύθυνση) η άντληση ενέργειας (energy scavenging) από το περιβάλλον και βέβαια η χρήση ηλεκτρονικών πολύ χαμηλής κατανάλωσης. Εκτός από την κλασική λύση των φωτοβολταϊκών συστημάτων έχουν προταθεί διάφορες τεχνολογίες: οι μικρομηχανικές γεννήτριες που παράγουν ενέργεια από μηχανικές ταλαντώσεις, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες που εκμεταλλεύονται ακόμη και ανεπαίσθητες διαφορές θερμοκρασίας (temperature gradients) μεταξύ δυο γειτονικών σημείων, οι μικροτουρμπίνες που παράγουν ενέργεια ακόμη κι από την ελάχιστη ριπή ανέμου. Προφανώς η ενέργεια που παράγεται από τα συστήματα αυτά αποθηκεύεται σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Εικόνα 3. Αρχιτεκτονική ενός κόμβου αισθητήρα [5] Για τη μονάδα επεξεργασίας έχει επικρατήσει η χρήση μικροελεγκτών (microcontrollers), που συνδυάζουν όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά (μικρό μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, ενσωμάτωση μνήμης και πολλών περιφερειακών, δυνατότητα εύκολης διασύνδεσης με αισθητήρες, δυνατότητα προγραμματισμού για εφαρμογές πραγματικού χρόνου, αλλά και time-critical). Περισσότερο χρησιμοποιούνται ο 16-bit MSP430 της Texas Intstruments κι ο 8-bit Atmega της Atmel. Είναι προφανές ότι το σύστημα χρειάζεται και κάποια μνήμη για την αποθήκευση του λογισμικού καθώς και των δεδομένων. Η μνήμη αυτή πρέπει να είναι μη πτητική, γρήγορη και χαμηλής κατανάλωσης. Η τεχνολογία που επικρατεί είναι οι μνήμες Flash, αλλά χρησιμοποιούνται και οι EEPROM για την αποθήκευση του λογισμικού. Μερικές δεκάδες KB αρκούν, αλλά χρησιμοποιούνται και Flash με χωρητικότητα 1MB. Όπως σε όλα τα υπολογιστικά συστήματα, έτσι και στους κόμβους των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, το λειτουργικό σύστημα παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην ορθή λειτουργία τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα ΛΣ των ενσωματωμένων συστημάτων, αλλά έχει επικρατήσει το TinyOS, που γράφτηκε ειδικά για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων στη γλώσσα προγραμματισμού nesc. To TinyOS είναι ένα event-driven ΛΣ, δηλαδή συνεχώς εκτελείται ένας βρόχος (loop) περιμένοντας 6

7 ένα γεγονός (event) που θα προκύψει από τον αισθητήρα και καταλαμβάνει μόνο 3.4ΚΒ μνήμης. Ένας πολύ «δημοφιλής» πομποδέκτης είναι ο CC2420 της Chipcon, στον οποίον υλοποιούνται το φυσικό επίπεδο (physical layer) καθώς και το υποεπίπεδο MAC (MAC layer) του ZigBee. Δηλαδή λειτουργεί στα 2.4GHz, η διαμόρφωση είναι DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, Διασπορά Φάσματος Αμεσης Ακολουθίας) και ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων 250kbps. Επίσης ο TDA 5250 της Infineon λειτουργεί στα 868MHz με διαμόρφωση ASK ή/και FSK και περιλαμβάνει ένα πολύ προσεγμένο αναλογικό τμήμα. Κύριοι παράγοντες της απόδοσης ενός κόμβου είναι: Η κατανάλωση ισχύος. Επειδή υπάρχει η απαίτηση για μεγάλο χρόνο ζωής, οι κόμβοι πρέπει να καταναλώνουν πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας για κάθε τους λειτουργία. Η προσαρμοστικότητα. Επειδή οι εφαρμογές στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθούν οι κόμβοι ποικίλλουν, η σχεδίασή τους πρέπει να είναι ευέλικτη και ευπροσάρμοστη. Πρέπει δηλαδή να είναι εύκολη η μεταβολή των παραμέτρων τους, όπως ο χρόνος απόκρισης και ο ρυθμός δειγματοληψίας. Το μέγεθος και το κόστος. Το μέγεθος και το κόστος των κόμβων παίζει μεγάλο ρόλο στο συνολικό κόστος ανάπτυξης του δικτύου. Η ασφάλεια. Κάθε κόμβος πρέπει να είναι σε θέση να εκτελεί πολύπλοκους αλγόριθμους κρυπτογράφησης των δεδομένων, για την αποφυγή υποκλοπής δεδομένων ή παρεμβολής στο κανάλι. Η δυνατότητα επικοινωνίας. Βασικό χαρακτηριστικό των κόμβων είναι η ικανότητά τους να επικοινωνούν. Βασικά χαρακτηριστικά της επικοινωνίας τους είναι ο ρυθμός μετάδοσης, η κατανάλωση ενέργειας και η ακτίνα μετάδοσης. Η υπολογιστική ισχύς. Αποτελεί κλειδί στην απόδοση ενός κόμβου. Δύο είναι οι πιο συνηθισμένες εργασίες που εκτελεί ένας κόμβος. Η επεξεργασία δεδομένων και η μετάδοσή τους. Ο συγχρονισμός. Απαιτείται μέθοδος συντονισμού δεδομένων μεγάλης ακρίβειας. Πιθανές διαφορές στον χρονισμό των κόμβων μειώνουν την αξιοπιστία του δικτύου. Ενας εμπορικά πολύ πετυχημένος τύπος κόμβου είναι οι Mica motes της Crossbow (Xbow). «Φορούν» τους μικροελεγκτές Atmega της Atmel και λειτουργούν στα 2.4GHz (ZigBee) με ρυθμό μετάδοσης 250kbps. 7

8 Εικόνα 4: Ενας κόμβος Mica mote [5] Οι Btnodes αναπτύχθηκαν από το Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ελβετίας (ΕΤΗ, Πολυτεχνείο της Ζυρίχης). Κι αυτοί φέρουν μικροελεγκτές Atmega με μνήμη kB SRAM, 128kB Flash και 4kB EEPROM. Ο πομποδέκτης είναι της Chipcon (CC1000) που λειτουργεί στα MHz (πρωτόκολλο Bluetooth). 8

9 Εικόνα 5: Ενας κόμβος Btnode [5] 5. Αρχιτεκτονική ασύρματων δικτύων αισθητήρων Εκτός από τους κόμβους στο δίκτυο συμμετέχουν και οι sinks, οι «καταναλωτές» των δεδομένων που παράγουν οι αισθητήρες και μπορεί να είναι μέρος ενός κόμβου, να είναι αυτοτελείς κόμβοι ή να βρίσκονται έξω από το δίκτυο. Μπορεί να είναι φορητοί υπολογιστές ή PDAs που αλληλεπιδρούν με το δίκτυο ή σταθμοί βάσης ή πύλες (gateways) που στέλνουν την πληροφορία σε μεγαλύτερα δίκτυα. Η απευθείας επικοινωνία μεταξύ των «πηγών» δεδομένων και των sinks δεν είναι πάντα εφικτή, δεδομένης της μικρής εμβέλειας των κόμβων (μην ξεχνάμε την απαίτηση για χαμηλή κατανάλωση). Ετσι η συντριπτική πλειοψηφία των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι δίκτυα multihop. Η πληροφορία μεταδίδεται από κόμβο σε κόμβο μέχρι να φτάσει στον προορισμό της. Είναι προφανής, λοιπόν, ο διπλός ρόλος των κόμβων του δικτύου: η εκπομπή των δεδομένων που δημιουργούνται από αυτούς και προώθηση της πληροφορίας που δέχονται από τους γείτονές τους με την τεχνική store and forward (αποθήκευση και προώθηση). Οσο πιο κοντά σε ένα sink βρίσκεται ένας κόμβος, τόσο περισσότερο όγκο δεδομένων έχει να προωθήσει κι επομένως πολύ σύντομα εξαντλεί τα αποθέματα ενέργειας που διαθέτει και υπάρχει κίνδυνος να τεθεί εκτός λειτουργίας με σημαντικές συνέπειες για τη λειτουργία του δικτύου. Μια εναλλακτική λύση είναι η ομαδοποίηση (clustering) των κόμβων. Τα μέλη της ομάδας στέλνουν τα δεδομένα στον επικεφαλής (head cluster) κόμβο, οποίος τα 9

10 στέλνει στους sink πιθανώς και απευθείας. Υπάρχει η δυνατότητα και για ιεραρχικό clustering δυο ή παραπάνω επιπέδων. Εικόνα 6: Δίκτυο με δύο clusters [2] 6. Εφαρμογές Είναι τεράστια η λίστα των εφαρμογών των δικτύων αισθητήρων. Πολλές από αυτές μας είναι ήδη γνωστές καθώς ανταποκρίνονται στις συνήθεις δραστηριότητες και ανάγκες μας: μετρήσεις ακριβείας πολλών ατμοσφαιρικών και μετεωρολογικών παραμέτρων, επιτήρηση δασών, υδροβιότοπων, θερμοκηπίων και γενικά αγροτικών καλλιεργειών για έλεγχο υγρασίας, θερμοκρασίας, πίεσης, ωρίμανσης καρπών, κτλ., επιτήρηση υγρών στοιχείων για ρύπους ή έλεγχο ακραίων καιρικών φαινομένων όπως οι πλημμύρες, επιτήρηση βιομηχανικού περιβάλλοντος για την εξασφάλιση επιθυμητών συνθηκών της παραγωγικής διαδικασίας, στοιχειώδεις ρυθμίσεις λειτουργιών σε κτίρια όπως θέρμανση, φωτισμός, συναγερμοί. Ως λιγότερο οικείες μπορούν ν αναφερθούν οι στρατιωτικές εφαρμογές και οι υποβρύχιες εγκαταστάσεις δικτύων για εντοπισμό αντικειμένων τόσο για στρατιωτικές επιχειρήσεις όσο και για αρχαιολογικές έρευνες και πειράματα. 10

11 Εικόνα 7.Zεύγος αισθητήρων μέτρησης ροής χυμών TDP80, DYNAMAX Inc., U.S.A. [11] Στις πιο πρόσφατες εφαρμογές μπορούμε ν αναφέρουμε τη χρήση δικτύων αισθητήρων για τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης και της κίνησης αντικειμένων σε εσωτερικούς χώρους, όπως σε κτίρια σε πυκνοδομημένο αστικό περιβάλλον, όπου η απόδοση της κλασικής GPS υπηρεσίας αποδεικνύεται ανεπαρκής. Οι δυνατότητες αυτές θα συμβάλλουν αποφασιστικά στην ασφάλεια και την επιτήρηση δημοσίων και ιδιωτικών χώρων. Στην προσπάθεια για αποτελεσματικότερη διαχείριση του καθημερινού μας περιβάλλοντος, πολλές πειραματικές προσπάθειες διεθνώς επικεντρώνονται στην ανάπτυξη και αξιολόγηση δικτύων που είναι ικανά να εκτελούν φωνητικές εντολές ή ν ανιχνεύουν την κίνηση ή τη διάθεση των χρηστών τους και να ρυθμίζουν πλήρως εγκαταστάσεις φωτισμού, ηλεκτρικών και ηλεκτροακουστικών συσκευών, ηλεκτρονικής επικοινωνίας, κτλ. Οι εφαρμογές που αναφέρθηκαν, αλλάζουν επαναστατικά τη ζωή μας, προσφέροντας αναβαθμισμένο περιβάλλον σε χώρους όπου η περίθαλψη ή η διαβίωση ευπαθών ομάδων (υπερήλικες, βρέφη) απαιτεί αδιάκοπη προσοχή και άμεση επέμβαση. Έτσι, ο σχεδιασμός των «ψηφιακών πόλεων», που αποτελεί το μεγάλο στοίχημα της σύγχρονης πολεοδομίας, θα στηριχθεί καθοριστικά στις δυνατότητες των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Ανάλογες εφαρμογές βρίσκονται σε εξέλιξη και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στη σχεδίαση και λειτουργία οχημάτων, όπου τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων θα μπορούν να λειτουργήσουν σε συνεργασία με τον οδηγό για την πλοήγηση του οχήματος, την αποφυγή εμποδίων, την εκκίνηση ή διακοπή της λειτουργίας της μηχανής σε περίπτωση κρίσιμης κατάστασης των επιβαινόντων. Η χρήση των τεχνολογιών αυτών μόνο θετικό αντίκτυπο μπορεί να έχει στην αποφυγή τραγικών γεγονότων και περιστατικών στις οδικές αρτηρίες. 11

12 6.1. Παραδείγματα εφαρμογών Καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Μια απο τις πιο συχνές εφαρμογές των δικτύων αισθητήρων είναι οι εφαρμογές ανακούφισης καταστροφών. Ένα τυπικό σενάριο είναι η ανίχνευση πυρκαγιών. Οι κόμβοι αισθητήρες είναι εξοπλισμένοι με θερμόμετρα και μπορούν να καθορίσουν τη θέση τους. Οι αισθητήρες αυτοί εγκαθίστανται από αεροπλάνα όταν υπάρχει φωτιά, για παράδειγμα σε ένα δάσος. Συλλογικά παράγουν ένα χάρτη θερμοκρασιών της περιοχής ή καθορίζουν την περίμετρο περιοχών με υψηλή θερμοκρασία που είναι προσβάσιμες, από πυροσβέστες. Οι εφαρμογές αυτές έχουν κοινά στοιχεία με στρατιωτικές εφαρμογές, όπου οι αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν, για παράδειγμα εχθρικά στρατεύματα. Έξυπνα κτίρια. Η κατασκευή «έξυπνων» κτιρίων βασίζεται στην εγκατάσταση ενός δικτύου αισθητήρων που γίνονται τα «μάτια» του συστήματος διαχείρισης και την εγκατάσταση ενός δικτύου ελεγκτών αυτοματισμού. Ο συνδυασμός των δύο δικτύων με μια κεντρική μονάδα επιτρέπει στο «έξυπνο οικολογικό κτίριο» να μπορεί από μόνο του να περιορίσει την κατανάλωση ενέργειας και να βελτιώσει την οικολογική συμπεριφορά του κτιρίου. Αναγνωρίζει αν ο φυσικός φωτισμός επαρκεί και ενεργοποιείται/απενεργοποιείται ο τεχνητός φωτισμός. Εντοπίζει αν η ποιότητα του εσωτερικού αέρα είναι ικανοποιητική και θέτει σε λειτουργία το σύστημα εξαερισμού. Ελέγχει αν η θερμοκρασία είναι στα επιθυμητά επίπεδα και ενεργοποιεί τη θέρμανση μόνο τις κρύες μέρες του χρόνου (ή αντίστοιχα ενεργοποιεί την ψύξη μόνο τις θερμές ημέρες του χρόνου). Αντιλαμβάνεται αν κάποιος χώρος δεν χρησιμοποιείται και απενεργοποιεί όλες τις συσκευές. Πρόσφατες μελέτες υπολογίζουν τη συνολική βελτίωση της ενεργειακής συμπεριφοράς κατά 34%, γεγονός το οποίο σημαίνει περίπου 38% μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα ετησίως. Ελεγχος τεχνικών κατασκευών: Καταγράφεται οποιαδήποτε ανωμαλία που μπορεί να σημαίνει πρόβλημα στην ακεραιότητα της κατασκευής. Οι μηχανικοί προβαίνουν σε επισκευές που θα κρατήσουν τη γέφυρα ασφαλή σε περίπτωση σεισμού ή άλλης φυσικής καταστροφής. 12

13 Εικόνα 8: Παρακολούθηση της κατάστασης μιας γέφυρας [4] Γεωργία Ακριβείας. Γεωργία Ακριβείας (Precision Agriculture) ονομάζεται η μέθοδος γεωργικής πρακτικής, που χρησιμοποιεί πληροφορία με σαφήνεια προσδιορισμένη ως προς το χώρο ή και το χρόνο, προκειμένου να μεγιστοποιήσει την αποδοτικότητα των καλλιεργειών. Με τη χρήση αισθητήρων μπορούμε να έχουμε άμεση μέτρηση και καταγραφή των κρίσιμων παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, η οξύτητα του εδάφους κλπ.. Επίσης η κτηνοτροφία μπορεί να επωφεληθεί από την τοποθέτηση ενός αισθητήρα σε μια αγελάδα ή ένα γουρούνι, ο οποίος ελέγχει την κατάσταση της υγείας του ζώου. Παρακολούθηση άγριας ζωής: Στα μέλη μιας αγέλης φοριέται ένας ειδικός αισθητήρας κι έτσι παρακολουθούνται οι κινήσεις τους. Ιατρική. Η χρήση αισθητήρων στην ιατρική είναι πιθανά πολύ ωφέλιμη, αλλά και ηθικά αμφιλεγόμενη. Το εύρος των δυνατοτήτων ξεκινάει από τη μετεγχειρητική και την εντατική θεραπεία, όπου οι αισθητήρες τοποθετούνται απευθείας πάνω στους ασθενείς, μέχρι τη μακροχρόνια παρακολούθηση ασθενών και την αυτόματη διαχείριση φαρμάκων (τοποθετώντας αισθητήρες στη συσκευασία των φαρμάκων). Εφοδιαστική αλυσίδα. Σε πολλές διαφορετικές εφαρμογές εφοδιασμού, είναι πιθανό να εξοπλιστούν τα εμπορεύματα με αισθητήρες οι οποίοι επιτρέπουν τον εντοπισμό των αντικειμένων αυτών, κατά τη διάρκεια της μεταφοράς τους ή τον εντοπισμό της θέσης τους μέσα σε μια αποθήκη. 13

14 Βιβλιογραφία [1] Κίκηρας Π., «Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων», Διαφάνειες Παραδόσεων στο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλ/νιών & Δικτύων Παν. Θεσσαλίας, Βόλος 2009 [2] Νικολετσέας Σ., «Αλγοριθμικές Θεμελιώσεις Δικτύων Αισθητήρων», Διαφάνειες Παραδόσεων στο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ& Πληροφορικής Παν. Πατρών, Πάτρα 2009 [3] Παυλίδου Ν-Φ, «Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων», Ηλεκτρονικό Περιοδικό ενthesis, Ιανουάριος 2008 [4] Τσακαλίδης Π., «Σύγκλιση Τηλεπικοινωνιών και Πληροφορικής: Συνδέοντας το Φυσικό Κόσμο με Ασύρματα Δίκτυα», Δημόσια Ομιλία, Ηράκλειο 2004 [5] Karl H., Wilig A., «Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks», John Wiley ed., 2005 [6] Raghavendra C., Sivalingam K. (Editors), «Wireless Sensor Networks, Springer» Verlag, 2006 [7] Shorey R., Ananda A.,Chan M.C, Ooi W.T, «Mobile, Wireless, and Sensor Networks: Technology, Applications, and Future Directions», Wiley, [8] Tanenbaum A., «Δίκτυα Υπολογιστών», Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα 2003 [9] Siva Ram Murthy C., Manoj, «Ad Hoc Wireless Networks Architectures and Protocols», Prentice Hall, 2004 [10] Perkins C., «Ad Hoc Networking», Pearson Education, 2008 [11] Wikipedia 14

15 Η έννοια του ηλεκτρικού φορτίου από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα Eμμανουηλίδης Αριστείδης Φυσικός καθηγητής Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης, Υποδ/ντής ΓΕΛ Λαγκαδά Οι πρώτες αναφορές σε φαινόμενα που σχετίζονται με το ηλεκτρικό φορτίο καταγράφονται από τον Θαλή τον Μιλήσιο, ο οποίος διαπιστώνει ότι ορισμένα υλικά, όπως για παράδειγμα το ήλεκτρο ή κεχριμπάρι (αν το τρίψουμε με ξηρό ύφασμα) ή το γυαλί (αν το τρίψουμε με μετάξι), έχουν τη ιδιότητα να συγκρατούν ελαφριά αντικείμενα, όπως τρίχες. Στην αρχαία Ελλάδα επίσης, ήταν γνωστό ότι η ιδιαίτερα έντονη τριβή ενός υλικού μπορούσε να προκαλέσει σπινθήρα.. Ήταν γνωστή επίσης στους αρχαίους Έλληνες η ιδιότητα ενός ψαριού, της μαρμαιρούσας (μουδιάστρας), να δημιουργεί με τα χτυπήματά της ηλεκτρικές εκκενώσεις. Μάλιστα αναφέρεται ότι ο Αριστοτέλης υπήρξε ο πρόδρομος των λεγόμενων σήμερα μέσων ηλεκτροθεραπείας. Χρησιμοποίησε τα χτυπήματα του ψαριού αυτού και θεράπευσε κάποιον που έπασχε 15

16 από αρθριτικά. Η εποχή του Μεσαίωνα δεν πρόσφερε τίποτε στον τομέα αυτό της Φυσικής. Τα ηλεκτρικά φαινόμενα για αιώνες παρέμεναν περιθωριακές περίεργες εκδηλώσεις χωρίς κανένα ενδιαφέρον για τους σοφούς. Την παρατήρηση του Θαλή, επανέλαβε ο γιατρός της βασίλισσας της Αγγλίας Γκίλμπερτ ( ) και με άλλα σώματα, όπως το γυαλί, τη ρητίνη, το θείο, τα οποία ονόμασε ιδιοηλεκτρικά και τ' άλλα σώματα, όπως τα μέταλλα, που ονόμασε ανη- Στον πίνακα του Arthur Hunt, ο Gilbert εκτελεί ένα πείραμα στατικού ηλεκτρισμού παρουσία της Βασίλισσας Ελισάβετ.. λεκτρικά. Τα πρώτα είναι τα λεγόμενα μονωτικά ή κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και τα δεύτερα είναι οι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Με το έργο του Gilbert De Magnete γίνεται μια πρώτη προσπάθεια ώστε τα ηλεκτρικά φαινόμενα να αποτελέσουν ιδιαίτερο αντικείμενο μελέτης. Δημιουργεί μια πρώτη συστηματική πειραματική προσέγγιση των ηλεκτρικών φαινομένων μέσα από την επινόηση ενός απλού οργάνου ανίχνευσης ηλεκτρικού φορτίου, του Versorium (λέξη λατινική που σημαίνει «στριφογυρίζω») που θεωρείται ο πρόγονος του ηλεκτροστατικού εκκρεμούς και του ηλεκτροσκοπίου. Εκτελεί μια σειρά απλών πειραμάτων στατικού ηλεκτρισμού που θέτουν τις βάσεις της 16

17 πειραματικής μεθόδου έρευνας στην αυγή του 17 ου αιώνα χωρίς όμως να διατυπωθεί σοβαρή επιστημονική θεωρία που να ερμηνεύει τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Από την άλλη έχουμε τη δημιουργία καινούριων εννοιών: Ηλεκτρικά και μη ηλεκτρικά σώματα Ηλεκτρική δύναμη και ηλεκτρική έλξη Φορτισμένο σώμα Ηλεκτρικό ρευστό και τη διατύπωση υποθέσεων: Δράση από απόσταση. H έννοια της ηλεκτρικής άπωσης δεν καταγράφεται στο De Magnete.Την έννοια αυτή την εισάγει ένας Ιταλός,ο Niccolo Cabeo ( ) για πρώτη φορά το (1620) με την διατύπωση «τα φορτισμένα σώματα έλκονται ή απωθούνται». Την πρώτη ηλεκτρική μηχανή την κατασκεύασε ο Ότο δον Γκέρικε ( ), δήμαρχος του Μαγδεβούργου. Αυτός έκανε μια σφαίρα από θειάφι που περιστρεφόταν, πάνω στην οποία έβαζε ένα άτομο τα χέρια του για την ανάλογη τριβή. Με την τριβή αυτή παραγόταν ηλεκτρικός σπινθήρας. Το 1729, με βάση την παρατήρηση ότι ο ηλεκτρισμός διέτρεχε κατά μήκος ενός μεταλλικού σύρματος, ενώ 17

18 διατηρείτο στα σώματα όπου παραγόταν ηλέκτριση λόγω της τριβής, ο Στίβεν Γκρέι εισήγαγε τη θεμελιώδη διάκριση μεταξύ αγωγών και μονωτών. Πρώτος που μετέφερε με επιτυχία ηλεκτρική ενέργεια είναι ο Γκρέι ( ) και συνέχισε την εργασία του ο Ντι Φε ( ) που ανακάλυψε την ιδιότητα της ηλεκτρίσεως όλων των σωμάτων. Διέκρινε πειραματικά δύο τύπους ηλεκτρισμού. Ο ένας επιτυγχανόταν όταν γίνοταν τριβή σε υλικά όπως γυαλί, χαλαζίας, πολύτιμοι λίθοι και άλλες ουσίες. Ο άλλος επιτυγχανόταν κυρίως με το ήλεκτρο, με γομόλακα και άλλες ουσίες. Ο ίδιος ο Ντι Φε σημείωσε : «Χαρακτηριστικό αυτών των δύο ηλεκτρισμών είναι ότι ο καθένας απωθεί τον όμοιό του και έλκει τον άλλον». Αυτός χρησιμοποίησε τους όρους υαλώδης και ρητινώδης ηλεκτρισμός που μετονομάστηκαν από το Βενιαμίν Φραγκλίνο σε θετικός και αρνητικός ηλεκτρισμός 18

19 αντίστοιχα Αργότερα ο Βενιαμίν Φραγκλίνος οδηγήθηκε στην εισαγωγή της έννοιας του θετικού και του αρνητικού ηλεκτρισμού ως εκδήλωση συμπύκνωσης ή αραίωσης ενός ενιαίου ηλεκτρικού ρευστού, του. οποίου η συνολική ποσότητα διατηρείται σταθερή. Κατά την πορεία των πειραμάτων του πάνω στον ηλεκτρισμό, ο Φραγκλίνος κατόρθωσε να καθορίσει την ομοιότητα μεταξύ του κεραυνού και ηλεκτρικών σπινθήρων Χάρη στον Πίτερ Βαν Μούσενμπρουκ το 1746 έγινε δυνατή η μελέτη των ηλεκτρικών σπινθήρων στην πόλη Λούγδουνο (Λέιντεν) της Ολλανδίας. Ακολούθησε η ανακάλυψη από το Φραγκλίνο ( ) της δύναμης της ακίδων και του αλεξικέραυνου. Το 1754 ο Καντόν επαναλαμβάνοντας τα πειράματα του Ντιφέ ανακάλυψε ότι μπορεί να παράγει και τα δύο είδη ηλεκτρισμού από την ίδια γυάλινη ράβδο, αρκεί να την τρίψει κάθε φορά με διαφορετικό υλικό. Οι επιστήμονες μελετούν τον ηλεκτρισμό από την εποχή της αρχαιότητας. Η πορεία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου που ήταν μια μακροχρόνια μελέτη των φυσικών του 19ου αιώνα τελείωσε με τον υπολογισμό της τιμής του ηλεκτρικού φορτίου από τον αμερικανό 19

20 φυσικό Robert Millikan ( ), το Είχε, φυσικά, προηγηθεί η ανακάλυψη του λόγου e/m από τους Pieter Zeeman και J.J. Thomson (το 1897) σαν φυσιολογική συνέπεια της έρευνας των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σωλήνες κενού. Ο Αμερικανός επιστήμονας Ρόμπερτ Μίλικαν ήταν, όμως, αυτός που υπολόγισε με ακρίβεια το φορτίο των ηλεκτρονίων το Χρησιμοποιώντας δοχείο ψεκασμού αρώματος, ο Μίλικαν ψέκασε μικροσκοπικές σταγόνες ελαίου σε διαφανές δοχείο. Στην κορυφή και το πάτωμα του δοχείου, ο Μίλικαν τοποθέτησε μεταλλικές πλάκες, συνδεδεμένες με μπαταρίες, κάνοντας τη μία πλάκα να έχει θετικό φορτίο και την άλλη αρνητικό. Καθώς κάθε σταγονίδιο ελαίου αποκτούσε μικρό ηλεκτρικό φορτίο, στην πορεία του μέσω του αέρα, η ταχύτητα καθόδου του μπορούσε να ελεγχθεί από τη μεταβολή της τάσης στις πλάκες. Όταν το ηλεκτρικό φορτίο αυτό έφθανε να εξισωθεί με τη δύναμη της βαρύτητας, τα σταγονίδια αιωρούνταν, μένοντας ακίνητα στον αέρα. Το μικρότερο δυνατό ηλεκτρικό φορτίο, που μπορούν να έχουν τα σταγονίδια, είναι εκείνο Η διάταξη του Μίλικαν για το πείραμα με τις σταγόνες λαδιού. ενός και μόνο ηλεκτρονίου. Η εξέλιξη των ιδεών για την έννοια ηλεκτρικό φορτίο φαίνεται στον παρακάτω πίνακα: 20

21 ΕΜΠΕΙΡΙΑ 1 η ΕΛΞΗ του ήλεκτρου Θαλής ΕΜΠΕΙΡΙΑ 2 ΕΠΙΝΟΗΣΗ 1 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΙΔΕΑ 1 ΕΠΙΝΟΗΣΗ 2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΜΠΕΙΡΙΑ - ΠΡΟΤΥΠΟ ΕΜΠΕΙΡΙΑ 3 ΙΔΕΑ 2 ΙΔΕΑ 3 ΙΔΕΑ 4 ΕΠΙΝΟΗΣΗ 3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΙΔΕΑ 5 ΙΔΕΑ 6 ΕΠΙΝΟΗΣΗ 4 ΙΔΕΑ 7 ΕΠΙΝΟΗΣΗ 5 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΤΥΠΟ ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΝΟΜΟΥ Δυνατότητες έλξης έχουν και ΑΛΛΑ υλικά Το ηλεκτρικό εκκρεμές Ο ηλεκτρισμός είναι ρευστό που μπορεί και ΜΕΤΑΦΕΡΕΤΑΙ ηλεκτροστατική μηχανή οι ΜΑΓΝΗΤΕΣ έλκονται αλλά και απωθούνται Εκτός από την «ηλεκτρική» ΕΛΞΗ μπορεί να εκδηλωθεί και ΑΠΩΣΗ ΑΓΩΓΟΙ και ΜΟΝΩΤΕΣ Υπάρχουν ΔΥΟ είδη ηλεκτρισμού ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ηλεκτρικού ρευστού ο πυκνωτής ΘΕΤΙΚΟ και ΑΡΝΗΤΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ποσότητα και μπορεί να ΜΕΤΡΗΘΕΙ Τρόπος μέτρησης του φορτίου Οι δυνάμεις μεταξύ φορτίων υπακούουν σε νόμο ο ζυγός στρέψης Ο νόμος για την παγκόσμια έλξη Ο νόμος του Coulomb Ιωνία 6 ος αιώνας π.χ Gilbert Αγγλία 1600 Von Guericke Αγγλία 17 ος αιώνας Ευρώπη 17 ος αιώνας Γερμανία, 1660 Boyle Αγγλία 1675 Gray Αγγλία 1729 DuFay Γαλλία 1734 Mussenbroek Ολλανδία 1746 Franklin USA 1750 Coulomb Γαλλία 1785 Κλείνοντας την ιστορική αναδρομή για το ηλεκτρικό φορτίο παραθέτω για την χρησιμότητα μελέτης του παρελθόντος την άποψη του μεγαλύτερου φυσικού του περασμένου αιώνα Albert Einstein 21

22 «Οφείλουμε να εξετάζουμε τις παλιές ιδέες και θεωρίες αν και ανήκουν στο παρελθόν γιατί αυτό είναι το μόνο μέσον για να κατανοήσουμε τη σπουδαιότητα των νέων και την έκταση της ισχύος τους» Ως δε την αντιμετώπιση του ηλεκτρικού φορτίου και των ιδιοτήτων τους απο τους μαθητές παραθέτω ένα κομμάτι απο την διδακτική των φυσικών επιστημών του Arnold Arons «Πολλοί μαθητές ουδέποτε παρατήρησαν άμεσα ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Έρχονται στο Γυμνάσιο και στο Λύκειο έχοντας ακούσει το λεξιλόγιο του ηλεκτρισμού, χωρίς να έχουν δει αντίστοιχα φαινόμενα... Η συγκεκριμένη αμέλεια, το ότι, δηλαδή, εκκινούμε με την παραδοχή ότι οι μαθητές «γνωρίζουν» τα φαινόμενα και την ορολογία είναι υπεύθυνη για πολλές μελλοντικές δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι μαθητές σ αυτό το πεδίο» Βιβλιογραφία [1] Albert Einstein Leopolde Infeld (1978). Η εξέλιξη των ιδεών στη φυσική, εκδόσεις Δωδώνη, Αθήνα. [2] Δαπόντες, Ν., Κασσέτας, Α., Μουρίκης, Σ. (1984). Φυσική Β τάξης Ενιαίου Πολυκλαδικού Λυκείου (ΕΠΛ), έκδοση ΟΕΔΒ, Αθήνα [3] Rosmorduc, Jean (1979). De Thales a Einstein, ed. Etudes Vivandes, Paris Montreal. [4]Χασάπης Δημήτριος, 1998, ΤΕΙ Σερρών: Τμήμα Μηχανολογίας, Θεωρία Φυσική ΙΙ [5]Χασάπης Δημήτριος, 1998, ΤΕΙ Σερρών: Τμήμα Μηχανολογίας, ΕργαστήριοΦυσική ΙΙ [6] De Magnete : Dr David Stern [7] Η οικοδόμηση της έννοιας ηλεκτρικό φορτίο Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας 22

23 Tο Ράδιο στα μεταλλικά νερά Πόσο μας ωφελούν τα μεταλλικά νερά ; Κων. Παπαστεφάνου Καθηγητής της Πυρηνικής Φυσικής στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.) Το ράδιο στα νερά των θερμών πηγών προσδίδει σ αυτά ιαματικές-θεραπευτικές ιδιότητες, κυρίως σε αρθρίτιδες, αλλά και άλλες παθήσεις, όπως του στομάχου, κλπ., λόγω της ραδιενέργειας που εκπέμπεται με την ραδιενεργό διάσπασή του. Επειδή το Ράδιο είναι μεταλλικό χημικό στοιχείο, τα νερά που το περιέχουν καλούνται και μεταλλικά νερά. Ως μεταλλικό νερό θεωρείται το νερό που περιέχει τουλάχιστον 1 gr/l μιάς μεταλλικής ουσίας. Στην Ελλάδα αναβλύζουν περί τις 750 πηγές με ιαματικές ιδιότητες. Μεταξύ των πηγών αυτών υπάρχουν ορισμένες, όπως της Ικαρίας, των Καμένων Βούρλων, της Αιδηψού και του Λουτρακίου, που η θεραπευτική τους ιδιότητα οφείλεται κυρίως στο Ράδιο και την φυσική ραδιενέργειά τους, εν γένει, που περιέχουν. Στα εμανατόρια, οι ασθενείς με πνευμονικές παθήσεις πηγαίνουν για να κάνουν εισπνοές Ραδονίου, ένα ραδιενεργό αέριο που παράγεται άμεσα με την ραδιενεργό διάσπαση του Ραδίου που περιέχεται στα μεταλλικά νερά. Οι πρώτες επιτόπιες μετρήσεις ραδιενέργειας άρχισαν, περίπου, το 1920, τότε δηλαδή που δημοσιεύτηκε το Διάταγμα αρ. 7 της 21 Αυγούστου 1920, το σχετικό με την αναγνώριση από το Κράτος ορισμένων πηγών, βάσει των ιδιοτήτων τους, σαν ιαματικές. Το Διάταγμα αναφέρει ότι για να δοθεί άδεια λειτουργίας μιας ιαματικής πηγής πρέπει να αναφέρεται η τιμή της ραδιενέργειάς της. Σήμερα, οι συνεχώς αυξανόμενοι επικίνδυνοι και συνεργοί παράγοντες για την υγεία του ανθρωπίνου οργανισμού, όπως οι ατμοσφαιρικοί ρυπαντές, το κάπνισμα, τα ραδιενεργά κατάλοιπα, τα μεταλλαγμένα τρόφιμα, κ.ά., καθιστούν αναγκαία την πληρέστερη έρευνα της ραδιενέργειας στα νερά των ραδιενεργών ιαματικών πηγών, και στους χώρους λουτροθεραπείας με αυτά, για την προστασία των λουομένων και του εργαζομένου προσωπικού. Συνεπώς πρέπει να είναι σωστή η δόση της φυσικής ραδιενέργειας, του ραδίου, που λαμβάνεται κάθε φορά, σε κάθε περίπτωση μιας επιλεγμένης ιαματικής πηγής, για την θεραπεία των λουομένων. Τόσο για το περιεχόμενο σε Ράδιο του νερού που πίνεται, όσο και του νερού στη λουτροθεραπεία, αναφέρονται τιμές ενδεικτικές της ραδιενέργειας για σύγκριση : -Νερό Νιγρίτας, μέση ραδιενέργεια 7.1 mache ή Bq/L -Σουρωτή, μέση ραδιενέργεια 7.2 mache ή Βq/L -Aιδηψός, μέση ραδιενέργεια 0.18 mache ή 2.42 Bq/L -Καμένα Βούρλα, η ραδιενέργεια κυμαίνεται, για διάφορες πηγές της, στην πηγή Ασπρονέρι 2.0 mache ή Bq/L, στην πηγή Κονιαβίτου 2.6 mache ή Bq/L και στην πηγή των Δεξαμενών 203 mache ή 2734 Bq/L. -Λουτράκι, στο ύδωρ φρεάτων 0.81 mache ή Bq/L, στις πηγές του Δήμου 31 mache ή 418 Βq/L, και στις πηγές του ΕΟΤ mache ή 154 Bq/L. -Iκαρία, στην πηγή Μουσταφά-Λίτζα 350 mache ή 4713 Bq/L, στην πηγή Σπηλαίου 65 mache ή 875 Bq/L,στην πηγή Παμφίλη 80 mache ή 1077 Bq/L, στην πηγή Aπόλλωνος 557 mache ή 7502 Bq/L, στην πηγή Θερμού 9 mache ή 121 Bq/l και στην πηγή Αγ. Κυριακής 54 mache ή 727 Bq/L. Στον Πίνακα 1, δίνεται η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή της ραδιενέργειας, σε Bq/L, στα νερά των θερμών πηγών στην Ελλάδα 23

24 Τα νερά των θερμών πηγών (thermal springs) είναι πλούσια σε ράδιο, 226 Ra (T ½ = 1600 y), το οποίο δια της ραδιενεργού διασπάσεως παράγει το ραδόνιο, 222 Rn, (T ½ = d), που ως γνωστόν, είναι αέριο ευγενές (αδρανές), άχρωμο, άοσμο και άγευστο, και φυσικά ραδιενεργό με εκπομπή σωματιδίων-ακτίνων άλφα. Συνεπώς, στα νερά των θερμών πηγών περιέχεται εν διαλύσει το αέριο ραδόνιο. Πίνακας 1. Ραδιενέργεια στα νερά των θερμών πηγών στην Ελλάδα Tόπος Ελάχιστη συγκέντρωση, min Μέγιστη συγκέντρωση, max (Bq/L) (Bq/L) Αιδηψός Ικαρία Καμένα Βούρλα Λουτράκι Μέθανα Νιγρίτα Ξυνό Νερό 2.7 (μ.τ., mean) Σάριζα 14.8 Υπάτη Το ραδόνιο συνιστάται για εισπνοές από το αναπνευστικό σύστημα στα εμανατόρια (emanatoria, spas). Emanation (εκπήγαση, απορροή), Em, ( προϊόν γέννεσης από το ράδιο), ήταν η παλαιότερη ονομασία του ραδονίου. Παλαιότερα εχρησιμοποιείτο ως μονάδα της ραδιενέργειας του νερού των θερμών πηγών το mache, η οποία ισούται με 3.64x10-10 Ci ανά λίτρο νερού, ή 13.5 Bq L -1 (dps ανά λίτρο νερού) και εκφράζει την περιεχομένη ποσότητα του ραδονίου σε ένα λίτρο νερού των θερμών πηγών. Αποτέλεσμα της ραδιενεργού διασπάσεως του 226 Ra και του 222 Rn στα νερά των θερμών πηγών είναι η ανύψωση της θερμοκρασίας του νερού μέχρι και του σημείου του βρασμού, ήτοι 100 ο C, λόγω εκλύσεως θερμότητας από την αντίδραση των ραδιενεργών διασπάσεων (εξώθερμες αντιδράσεις). Επειδή το ράδιο που περιέχεται στα νερά των θερμών πηγών είναι μέταλλο, γι αυτό ονομάζονται μεταλλικά, τα νερά των θερμών πηγών, π.χ η ονομασία Μεταλλικό σε χωριό του Ν. Κιλκίς, οφείλεται στο ράδιο που περιέχεται σε νερά των πηγών της περιοχής. Είναι πολύ γνωστά τα νερά των θερμών πηγών στο Vichy και το Evian της Γαλλίας καθώς και τα spas. Πριν πολλά χρόνια, την δεκαετία του 50, το μεταλλικό νερό των θερμών πηγών της Νιγρίτας αποκαλούνταν το «Βισύ της Ελλάδας», καθ όσον το Βισύ (Vichy) στα Βόσγια της Ανατολικής Γαλλίας, στα σύνορα με την Γερμανία, ήταν η γνωστή σε όλον τον κόσμο με μεταλλικό νερό ραδίου και λουτρόπολη, επίσης. Κατιόντα μεταλλικών στοιχείων, αλλά και ανιόντα ανιχνεύονται στα νερά διαφόρων πηγών της χώρας μας,τα οποία γι αυτόν τον λόγο εμφιαλώνονται, Πίνακας 2. 24

25 Πίνακας 2. Κατιόντα και ανιόντα στα εμφιαλωμένα νερά πηγών της Ελλάδος (mg/l) Πηγή Na + K + Ca 2+ Mg 2+ NH 4 + HCO 3 - Cl - SO 4 2- NO 3 - NO 2 - Κορπή Μοναστηράκι < <0.02 Βόνιτσα, Ακαρνανικά Υάς Κυλλήνη, Ζήρεια < <0.01 Πηγή Αύρα Αιγίου < <5 <0.05 Λουτράκι < <5 <0.05 Καραντάνη < < < <0.05 Πηγή Ιόλη <0.05 Οροσειρά Οίτης Ζαγόρι, Κρανούλα Ιωάννινα Βίκος, Φαράγγι Βίκου Ζαγοροχώρια Γάργαρο, Ιωάννινα < <5.0 <0.05 Πηγή Σεπετά < <0.05 Ιωάννινα Μιτσικέλι, Ιωάννινα < < < <0.05 Πίνδος, Ζιάκα Γρεβενά Σαμαρίνα, Γκούρα Γρεβενά Σέλι, Βέρμιο < < <0.05 Αθως, Πολύγυρος Υδωρ, Σουρωτή Σουρωτή Νιγρίτα To λιγότερο Ca (3.2 mg/l) έχει το νερό της πηγής Καραντάνη Λουτρακίου, ενώ το περισσότερο (101.8 mg/l) έχει το νερό της πηγής Βίκου στο φαράγγι του Βίκου στα Ζαγοροχώρια.. Το λιγότερο Mg (0.7 mg/l) έχει το νερό της πηγής Βίκου, ενώ το περισσότερο (90.4 mg/l) έχει το νερό της πηγής Καραντάνη Λουτρακίου. Το λιγότερο Na (1.9 mg/l) έχει το νερό της πηγής Μιτσικέλι Ιωαννίνων, ενώ το περισσότερο (25 mg/l) έχει το νερό Αθως του Πολυγύρου Χαλκιδικής. Το λιγότερο K (0.4 mg/l) έχει το νερό της πηγής Μιτσικέλι των Ιωαννίνων, ενώ το περισσότερο (3.9 mg/l) έχει το νερό Υάς της Κυλλήνης στα Ζήρεια. 25

26 Η πρόταση της Φυσικής για μια διδακτική προσέγγιση.. Ευάγγελος Βαρβαρέσος Φυσικός (PhD), Διευθυντής 2 ου ΓΕΛ Νεάπολης. Αν πραγματικά πιστεύουμε, όχι από ιδιοτροπία, αλλά εξ αιτίας μιας ιστορικά καταγεγραμμένης πραγματικότητας, πως ο Έλληνας στις στιγμές της ιστορικής του διαδρομής είχε ως κύριο μέλημά του να απαντήσει στο φιλοσοφικό ερώτημα περί του υπαρκτού, ανεξάρτητα από το γνωστικό αντικείμενο που κάθε φορά επεξεργαζόταν, τότε θα πρέπει πολύ σοβαρά να αναρωτηθούμε για τους λόγους που συνετέλεσαν ώστε να υποβαθμιστεί στους καιρούς μας τόσο πολύ αυτό το χαρακτηριστικό του γνώρισμα. Είναι πολλά χρόνια τώρα, που ο προβληματισμός που αφορά στο Ον, στο Είναι και το Γίγνεσθαι, έχει πάψει να μας απασχολεί ιδιαίτερα. Για να κρατήσουμε μάλιστα τα προσχήματα εντάξαμε σιωπηλά αυτό τον προβληματισμό στην κατηγορία των ζητημάτων που αφορούν κάποιους «ειδικούς», οι οποίοι περίπου «κατ ανάθεση», δικαιούνται να σκέπτονται πάνω σε αυτά το θέματα. Ακολουθώντας λοιπόν άκριτα μια άτυπη οδηγία της εποχής μας, αποδεσμευτήκαμε από κάθε φιλοσοφικό και οντολογικό προβληματισμό, υποκλιθήκαμε στο μεγαλείο μιας επικαιρότητας, ακυρώσαμε την ιδιοπροσωπία μας προς χάριν γενικευμένων αρχών που μας κατοχυρώνουν ως απρόσωπες μονάδες, αποδεχθήκαμε ως μοναδικό χαρακτηριστικό της γνώσης και της επιστήμης την χρηστικότητα, και γίναμε χωρίς καλά-καλά να το καταλάβουμε, οργανικά μέλη ενός κοινωνικού παραδείγματος που δεν βοήθα όσο θα έπρεπε στην ολοκλήρωσή μας ως ανθρώπων. Μάλιστα, επειδή από ότι φαίνεται είμαστε και ευχαριστημένοι με αυτό που καταφέραμε, φροντίσαμε με κάθε τρόπο να μεταδώσουμε το κατόρθωμά μας και σε άλλους, χρησιμοποιώντας τον πλέον πρόσφορο τρόπο, που είναι το εκπαιδευτικό μας σύστημα και οι κανόνες που θέτει για την διδασκαλία των διαφόρων γνωστικών αντικειμένων. Μεταξύ των μοχλών αυτής της ιδιόμορφης πειθούς που χρησιμοποιήσαμε εντάχθηκε και η Φυσική. Φάνηκε μάλιστα ότι με τις κατάλληλες διδακτικές επιλογές, η Φυσική, μπορεί να στηρίξει το νεοτερικό παράδειγμα του βίου, μια που κινείται με σχετική άνεση στον τομέα του χρηστικού ορθολογισμού, ο οποίος βεβαίως δεν έχει καμία σχέση με τον αρχαιοελληνικό ορθό λόγο. Πράγματι, στο νεοτερικό τρόπο θεώρησης της ζωής, η Φυσική, πολλές φορές συνεισέφερε με τρόπο υποστηρικτικό μέσα από θεωρίες και μοντέλα, άλλες φορές όμως ο τρόπος της ήταν ανατρεπτικός για τις κρατούσες αντιλήψεις. Στο τοπίο των θεωριών που συμβάλουν στην ανάπτυξη μιας διαφορετικής οπτικής για την θεώρηση του κόσμου και που έχουν αντανάκλαση στο μοντέλο θέασής του, μπορούμε να εντάξουμε την σχετικότητα, την κβαντική, την θερμοδυναμική, το χάος κλπ. Η διατύπωση αυτών των θεωριών βεβαίως, παρά τις όποιες προσδοκίες, δεν φαίνεται να άλλαξε αισθητά τον τρόπο του νεοτερικού μοντέλου της ζωής ή της σκέψης μας και σε αυτό μάλλον έπαιξε ρόλο ο τρόπος των σχολικών βιβλίων, δηλαδή η θεματολογία και η διάρθρωση της ύλης τους. Με άλλα λόγια και παρά το γεγονός ότι όντως τα τελευταία χρόνια έκαναν την εμφάνισή τους στις σελίδες των σχολικών βιβλίων Φυσικής οι νεότερες θεωρίες της, τόσο ο τρόπος με τον οποίο 26

27 παρουσιάζονται, όσο και η έκταση την οποία καταλαμβάνει η ανάπτυξή τους, δεν αντανακλούν επαρκώς την αναγκαιότητα νέου προσανατολισμού τον οποίο προσπορίζουν οι ανακαλύψεις τους και ο οποίος θα οδηγούσε τον άνθρωπο σε βαθύτερες και εκτενέστερες φιλοσοφικές αναζητήσεις. Χωρίς να ισχυριζόμαστε πως η Φυσική μπορεί να υποκαταστήσει την φιλοσοφική αναζήτηση, θεωρούμε ότι μπορεί και πρέπει να ακυρώσει μια τεχνητά διαμορφωμένη αντίθεση που την φέρνει σε ασύμβατη θέση με τον φιλοσοφικό στοχασμό. Και τούτο διότι ποτέ δεν υπήρξε στην πραγματικότητα αντίθεση μεταξύ φιλοσοφίας και επιστήμης τουλάχιστον στην δική μας ιστορική παράδοση. Άλλωστε ο κόσμος αποδεικνύεται πολύ πιο σύνθετος από όσο τον περιέγραψε η κλασική επιστήμη με μια ιστορικότητα χρονικότητα και ολιστικότητα να κυριαρχεί, με ένα ντετερμινισμό να υποχωρεί και να αποτελεί απλώς μια επιμέρους εκδήλωση άλλων ανοιχτών διαδικασιών που συνεπάγονται διαρκή οντολογικό εμπλουτισμό της πραγματικότητας. Η πραγματικότητα πλέον γνωρίζουμε πως δημιουργείται διαρκώς, ο οντολογικός της προσδιορισμός γίνεται συνώνυμος της προοπτικής της αφού εμπίπτει στα όρια ενός χρόνου που να κυλά χωρίς αντιστροφή ορίζοντας με σαφήνεια την ασυμμετρία μέλλοντος και παρελθόντος. Ο υλικός κόσμος με άλλα λόγια και η πραγματικότητα εν γένει βρίσκονται στην διαδικασία μιας αδιάκοπης δημιουργίας και αποτελούν την εκδήλωση μιας κοσμικής γλώσσας, ενός ιδιότυπου λόγου που εκφέρεται εμπλουτιζόμενος ακατάπαυστα. Το όλον είναι διακριτό σε σχέση με τα μέρη που το συνθέτουν και επομένως ούτε ανάγεται ούτε και εξηγείται από αυτά, αποκτώντας συνεπώς το δικό του οντολογικό περιεχόμενο. Η Φυσική για να μπορέσει ξανά, εκτός των άλλων, να συμβάλει στην διαμόρφωση μιας άλλης κουλτούρας, με την οποία οπλισμένος ο άνθρωπος θα προσεγγίσει τον κόσμο, οικοδομώντας ακόμα και τα κοινωνικά του μοντέλα, με τρόπο που να είναι πιο συμβατός στην κοσμική αρμονική πρόταση. Θα λέγαμε πως το να μάθουμε τον κόσμο, ή να ζούμε όπως ο κόσμος, ισοδυναμεί με την σε βάθος ακρόαση του ενυπάρχοντος σε αυτόν Λόγου, η οποία συμβαίνει όταν αυτός ο Λόγος συντονίζεται με τον ανθρώπινο, όπως θα έλεγε ο Ηράκλειτος αλλά βεβαίως όχι μόνον αυτός. Γέφυρα αυτού του συντονισμού, μπορεί να είναι η Φυσική, η οποία με τους αποφατικούς γλωσσικούς κώδικες που χρησιμοποιεί, αλλά και με το ιδιότυπο νοηματικό φορτίο των όρων της, βοηθά αποτελεσματικά ώστε να στραφούμε και πάλι προς ξεχασμένους λυτρωτικούς προβληματισμούς, τους οποίους έχουμε βάλει στο περιθώριο. Η περιθωριοποίηση των προβληματισμών γίνεται φανερή ιδίως όταν προκύπτει κάποια προέκταση των συμπερασμάτων της, σε τόπους όπως η τέχνη, η φιλοσοφία η θεολογία κλπ. Τότε φαίνεται να υψώνεται ένα ανάχωμα οριοθετούμενο από άλλες γνωστικές περιοχές, οι οποίες εμφανίζονται ως υπεύθυνες να εκπληρώσουν τον σκοπό του οντολογικού μας προβληματισμού και της ανάγκης για αναζήτηση της αλήθειας. Διαπερνώντας συνολικά το εκπαιδευτικό σύστημα, αλλά και όχι μόνο αυτό, κάθε τέτοιο ανάχωμα είναι προφανές ότι συντελεί στην υποβάθμιση των σοβαρών ερωτημάτων που αφορούν το νόημα της ύπαρξης και διακρίνει τις περιοχές της ανθρώπινης αναζήτησης με τρόπο που ξεφεύγει από την θεμιτή συμβατικότητα μιας διδακτικής μεθοδολογίας. Η Φυσική, λοιπόν, μπορεί να συμβάλει, με τρόπο θαυμαστό, ώστε να υποβαθμιστεί αυτή τη διάκριση. 27

28 Η προσπάθεια προσέγγισης της Φυσικής μέσα από ένα τέτοιο τρόπο είναι μια ουσιαστική συμβολή στην επιστήμη αλλά και στην ίδια τη διδακτική μεθοδολογία. Σκοπός αυτού του τρόπου είναι να αναδειχθούν τα θέματα τα σχετιζόμενα με την παραγωγή της σκέψης η οποία βρίσκεται πίσω από τις ανακαλύψεις της Φυσικής ή προηγείται των ανακαλύψεων αυτών. Για το σκοπό αυτό, μπορούμε να μεθοδεύσουμε την διδακτική μας πρακτική ώστε χωρίς μαθηματικούς τύπους ή άλλες παρόμοιες φόρμες, να συμβάλουμε στην διαμόρφωση ενός ευρύτερου προβληματισμού. Οι παρεμβάσεις αυτές στη διδακτική διαδικασία, ασφαλώς και δεν θα έχουν τις διαστάσεις μιας έρευνας ή την αποκαλυπτικότητα μιας εισήγησης επιστημονικού συνεδρίου. Θα στοχεύουν όμως στο να ευαισθητοποιήσουν εκείνους τους μαθητές, οι οποίοι, χωρίς να είναι ειδικοί, θα αντιλαμβάνονται ισχυρότερα από άλλους, την σχέση που υπάρχει μεταξύ της Φυσικής και μιας βαθύτερης ανθρώπινης αναζήτησης, και θα θέλουν να προσεγγίσουν και να ψηλαφίσουν περισσότερο αυτή τη σχέση. Έτσι θα συμβάλουμε ώστε να καλυφθεί ένα κενό που υπάρχει, καθώς η διδακτέα ύλη αν και περιλαμβάνει γνώσεις για το άτομο, το μόριο, τα νέα τηλεσκόπια, την εξερεύνηση του διαστήματος, τις ακτινοβολίες, τα μικροκύματα, τα κβάντα κτλ, που αποτελούν τους σκαπανείς της διερεύνησης του κόσμου, εν τούτοις δεν ασχολείται σοβαρά με τον ρόλο όλων αυτών, ως παραγόντων επηρεασμού και διαμόρφωσης των βαθύτερων ερωτημάτων που αφορούν την ύπαρξή μας. Και επειδή στον κόσμο αυτό τίποτε δεν είναι ή δεν ορίζεται μόνο του, έχουμε χρέος να δείξουμε στα παιδιά, ότι οι ανθρώπινοι προβληματισμοί και τα υπαρξιακά μας ερωτήματα, όχι μόνο δεν είναι μακριά από την Φυσική, αλλά αντιθέτως αντλούν από αυτήν και της δίνουν εναύσματα για τρόπους έρευνας. 28

29 ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΝ K.POPPER ΚΑΙ P.DUHEM ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΤΣΩΝΗ Δρ. ΦΙΛΟΣΟΦΙΑΣ, Φιλόλογος Φ.Π.Ψ. εκπαιδευτικός 2 ου Πειραματικού Γυμνασίου Θεσσαλονίκης 1.Αναφορές σύγκλισης και απόκλισης των δύο φιλοσόφων Στη χρονική περίοδο από το η επιστημολογία στον αγγλοσαξωνικό χώρο διέπεται από την κυριαρχία του Λογικού θετικισμού. Στόχος του είναι η αξιόπιστη φιλοσοφική προσέγγιση της επιστήμης και «η λογική ανάλυση και εμπειρική θεμελίωση της έγκυρης γνώσης.» Καθώς όμως στα πλαίσια μιας θετικιστικής παράδοσης η έγκυρη γνώση ταυτίζεται με την επιστήμη-βέβαια μια παραδοσιακή γνωσιολογία δεν είναι πια δυνατή - ο διπλός αυτός στόχος γίνεται η ανάλυση της λογικής επιστήμης και η οριοθέτηση της επιστήμης από τη μεταφυσική. Στο χώρο της επιστήμης ξεχωρίζει η επιστήμη της Φυσικής λόγω της σαφήνειας, της καθαρότητας των εννοιών, των δομών και της εσωτερικής της συνέπειας.1 Εξάλλου, η Φυσική καταφέρνει να υιοθετήσει μια «τεχνητή γλώσσα με ανεπτυγμένες εκφραστικές δυνατότητες..». Πολύ σωστά παρατηρεί ο Ν. Αυγελής ότι «η θετικιστική επιστημολογία τείνει στην ανάλυση της γλώσσας της Φυσικής με τις τεχνικές της τυπικής λογικής, στην επισήμανση των πιθανών αντιφάσεων και την τελειοποίησή της»2 Η επιστήμη αντιμετωπίζεται ως στατική και ολοκληρωμένη δομή. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η «μορφή» κι όχι το «περιεχόμενο» των επιστημονικών προτάσεων σημασία έχει η γενική δομή, ο λογικός σκελετός κάθε δυνατού νόμου και εξήγησης κι όχι τόσο οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάζονται όταν μελετούμε ένα συγκεκριμένο νόμο, μια συγκεκριμένη εξήγηση.3 Και ο Popper μελετώντας το θεωρητικό σύστημα, μια επιστημονική θεωρία ως αξιωματοποιημένο σύστημα, το βλέπει σαν μια ιεραρχία στην κορυφή της οποίας βρίσκονται οι προτάσεις με το μέγιστο βαθμό καθολικότητας-τα αξιώματα-και κάτω από αυτήν να βρίσκονται διάφορες εμπειρικές προτάσεις καθολικής όμως μορφής. Οι ανωτέρου επιπέδου προτάσεις έχουν το χαρακτήρα υποθέσεων ως προς τις κατώτερες, οι οποίες παράγονται λογικά από αυτές. Ο λογικός χαρακτηρισμός «γενικότερο» εφαρμοσμένος σε καθολικές προτάσεις του τύπου «όλα τα Α είναι Β», αν και εύκολος για την εποπτεία, παρουσιάζει δυσκολίες όταν επιχειρούμε να τον αναλύσουμε λογικά.4 Δεν είναι μόνο η αυστηρή λογική δόμηση αλλά και η εμπειρική θεμελίωση που επισημαίνουν την ιδιαιτερότητα της επιστήμης. Τα εμπειρικά δεδομένα προσδιορίζουν το νόημα των επιστημονικών όρων και την εγκυρότητα των επιστημονικών προτάσεων. Έτσι, η Επιστήμη διαφοροποιείται από τη Μεταφυσική, 29

30 γιατί είναι εμπειρική. Αν μια πρόταση επιδέχεται επαλήθευση από την άμεση παρατήρηση-εμπειρία, έχει νόημα. Ανήκει στο πεδίο της επιστήμης. Αν όμως δεν είναι δυνατό να επαληθευτεί, με αποτέλεσμα να μην έχει τιμή αλήθειας, δεν είναι δηλαδή ούτε αληθής ούτε ψευδής, υπάγεται στο χώρο της Μεταφυσικής. Η σύνδεση των προτάσεων και των άμεσων εμπειρικών δεδομένων αποτελεί συγκεκριμένο πρόβλημα του εμπειρισμού. Αυτό που θα μας απασχολήσει παρακάτω είναι η οριοθέτηση της Επιστήμης και της Μεταφυσικής στον Popper και Duhem. Στην προσπάθεια να δώσουμε έναν ορισμό για τη Μεταφυσική, θα λέγαμε πως είναι η «επιστήμη για τις υπεραισθητηριακές αρχές του «Είναι». Ορισμένες φορές η έννοια της Οντολογίας ταυτίζεται με τη μεταφυσική, ως μεταφυσική του Είναι. Στη σύγχρονη αστική φιλοσοφία με την επικράτηση του νεοθετικισμού και σύμφωνα με την άποψή του, όλες οι αντινομίες και τα προβλήματα της Οντολογίας επιλύονται στα πλαίσια της επιστήμης είτε εξαλείφονται με τη λογική ανάλυση της γλώσσας. Πράγματι, τη φιλοσοφία του δεύτερου μισού του 19 ου αιώνα και του 20 ου τη χαρακτηρίζει η αρνητική στάση απέναντι στη Μεταφυσική, γενικά. Διαλέξαμε τους Popper και Duhem, γιατί και τους δυο φιλοσόφους απασχόλησε το θέμα της οριοθέτησης που θα διερευνήσουμε. ΚΟΙΝΑ ΣΗΜΕΙΑ ΣΤΟΥΣ POPPER ΚΑΙ DUHEΜ Και οι δυο αποδέχονται ότι η επιστήμη δε στηρίζεται σε εξακριβωμένα κριτήρια τόσο για την εξήγηση στο στάδιο της ανακάλυψης μιας καινούργιας θεωρίας όσο και στο στάδιο της θεμελίωσης αυτής της θεωρίας. Στους συλλογισμούς του Duhem διαφαίνεται ότι αποκλείεται η επαγωγική μέθοδος ως μέθοδος-τρόπος θεμελίωσης ή επικύρωσης μιας επιστημονικής θεωρίας. Επίσης, όσον αφορά στην εμπειρική βάση των θεωριών στον Popper, αυτή δε στηρίζεται σε αυστηρά θεμελιωμένες παρατηρήσεις που θα μπορούσαν να αποτελέσουν και βάση αποδείξεων.(δηλαδή παρατηρήσεις διαβλητές που όμως εξηγούν μια επιστημονική θεωρία). Όμως ο Popper περιορίζει τη συμφωνία αυτή μόνο σε υπαρκτικές αποφάνσεις, ενώ ο Duhem παραδέχεται ότι στην επιστημονική πρακτική και μεθοδολογία συχνά εδραιώνονται μέσα από σύμβαση και καθολικές θεωρίες. Και οι δύο συμφωνούν ότι δεν αποτελεί αναγκαία συνθήκη για την ύπαρξη νοήματος (κάπως δηλαδή, ισχυρά θεμελιωμένης θεωρίας), η αναγωγή-μετατροπή μιας υπόθεσης ή μιας θεωρητικής πρότασης που έχει διατυπωθεί σε κάποια πραγματολογική πρόταση (που στηρίζεται σε δεδομένα που υποπίπτουν στις αισθήσεις). Απορρίπτουν δηλαδή, με δύο λόγια, και οι δύο με βάση την πραγματικότητα (με βάση αυτά που ισχύουν ή υποπίπτουν στις αισθήσεις), απόδειξη ή επαλήθευση του νοήματος. Όσον αφορά στα βήματα της ανακάλυψης, της δημιουργίας μιας υποθετικής επιστημονικής θεωρίας, ο Duhem είναι έτσι και αλλιώς συμβατιστής, αλλά ο Popper αποδέχεται την αρχή αυτή ότι δηλαδή ο επιστήμονας είναι εντελώς ελεύθερος να κατασκευάσει μια θεωρία με βάση όποιες υποθέσεις θεωρεί 30