Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

Baník I., Baník R.

Abstract

In the present article various nontraditional physical experiments of surface phenomena domain are described, which may be performed by scholars and students in house conditions. They are completed by a series of convenient measurement methods.

Úvod

Lesklá mydlová bublina vznášajúca sa vo vzduchu - jeden z mnohých zázrakov prírody. Poznáme ju všetci.  Vždy nás zaujme a provokuje k zamysleniu. Kde sa vzala jej svojrázna dokonalosť? Je prejavom skrytej rovnováhy tlakových a medzimolekulárnych síl. Je priam prekvapujúce, že sa dokáže udržať „pri živote“ čo len pár sekund.

V ďalšom si opíšeme niekoľko pokusov, v ktorých hlavným aktérom budú povrchové (kapilárne) sily, t.j. sily, ktoré sú spoluzodpovedné aj za „mydlové“ bubliny. Presvedčíme sa o neobyčajnom geometrickom talente tenkej kvapalinovej blany, ktorá si sama dokáže nájsť zaujímavé tvary a ktorá tak rešpektuje aj tie najnáročnejšie pravidlá vedy zvanej geometria. Opíšeme si aj jednoduché spôsoby a metódy, ako si možno v domácich podmienkach zmerať povrchové napätie (kapilárnu konštantu).

Pokus s pohárom

Jednoduchý pokus s kvapalinovou blanou si možno vykonať behom pár sekund pri umývaní riadu. Stačí vziať sklený pohár, ponoriť ho otvoreným koncom čiastočne do roztoku na umývanie riadu, (akým je napríklad roztok jari vo vode) a potom ho vhodným spôsobom z roztoku vytiahnúť. Na otvore pohára sa vytvorí súvislá tenká vrstvička roztoku - blana. Ak blanu pozorujeme tak, že sa na jej lesklom povrchu zrkadlí denná obloha,.môžeme na nej pozorovať vznik a pohyb farebných vodorovných prúžkov postupujúcich pomaly do nižších častí vrstvy. Po nejakej chvíľke začne jej najvyššia časť však podozrivo temnieť a sčernávať. To signalizuje už jej nevyhnutný blížiaci sa koniec.

Pokusy s limo-trubičkami

Na obr. 1 je znázornená zostava, pozostávajúca z dvoch kúskov limo-trubičky. Ich vnútrom prechádza niť vytvárajúca po zviazaní uzavretý útvar. Druhá niť - slúžiaca za držiak je tiež uzavretá. Tá prechádza však len hornou trubičkou. Tá bude slúžiť na držanie sústavy. Ak dolnú časť sústavy ponoríme do roztoku, vytvorí sa na nej blana, ktorá napína bočné nite a formuje ich do tvaru oblúkov.

Pokus s kriedou

Kapilárne sily majú za následok aj postupné navľhanie pórovitých materiálov v prípade, ak sú tieto v styku s vodou. Demonštrujeme si to na prípade kriedy. Tú postavíme vo zvislej polohe do nádobky s trochou vody. Voda začne vystupovať pórmi nahor. Rozhranie medzi jej suchou a vlhkou časťou kriedy je pritom dobre viditelné. Výška h, ktorú voda v kriede dosiahne v čase narastá, pričom obrazom tejto závislosti - ako môžeme zistiť meraním - je parabola (Obr. 2).

Krieda má pórovitú štruktúru. Kapilárami voda postupuje nahor vďaka povrchovému napätiu a vďaka zmáčavosti. Rýchlosť pohybu vlahy (spomínaného rozhrania) sa postupne s narastajúcou výškou spomaľuje. Je to dôsledok toho, že voda pomaly prúdiaca v kapilárach má postupne väčší odpor vďaka viskozite. Čím je dlhšia kapilára, tým je postup vody pomalší, hoci aktívna sila spôsobená povrchovým napätím je prakticky konštantná. Prídavný ďalší faktor, ktorý by pohyb vody tiež spomaľoval pri väčších výškach h by súvisel s narastaním hydrostatického tlaku vodného stľpca v kriede.

Pokus s dvoma pohármi

Menší valcový pohár postavíme k vnútornej stene väčšieho valcového tak, aby sa dotýkali. Voda, ktorú sme do väčšieho pohára predtým naliali, vystúpi v medzierke medzi stenami oboch pohárov nad úroveň okolitej hladiny. Čím je medzera užšia, tým vyššie voda vystúpi. V medzere sa objaví akýsi „vodný vrch“, aký vidíme aj na obr. 3. Je to prejav kapilárnych síl.

Pokus s kuchynským sitkom

S kuchynským sitkom si možno urobiť tiež zaujímavý pokus súvisiaci s povrchovým napätím. Ak sitko postupne ponárame do vody spôsobom podľa obr. 4, vnútorný priestor sitka sa zaplní vodou celkom až vtedy, keď otvory sitka dosiahnu úroveň hladiny vody.

V prípade, že sitko z vody obdobným spôsobom vyťahujeme, situácia bude iná. Voda sa vo vnútornom priestore sitka udrží teraz dlhšie ako predtým - až dovtedy, kým otvory sitka nedosiahnu určitú výšku h nad okolitou vodou. Táto výška je pritom určená kapilárnymi silami prejavujúcimi sa na otvoroch sitka. Do rovnakej výšky by vystúpila voda v kapilárach (ktorých steny voda zmáča) obdobných dimenzií, ako sú priemery otvorov sitka.

Tento pokus názorne ukazuje, že pri navľhaní pórovitých (napr. stavebných) látok sa môžu pri procese navľhania a vysušovania objavovať aj určité hysterézne efekty. Tie súvisia práve s povrchovými kapilárnymi javmi, ktoré sa v takých materiáloch dosť výrazne prejavujú. Stav vody pri experimente so sitkom nie je zjavne jednoznačne určený polohou sitka, ale závisí aj od toho, ako sa sitko do daného stavu dostalo.

Povrchové napätie so zrkadlami

Povrchové napätie vody možno zmerať aj pomocou dvoch vreckových obdľžnikových zrkadiel, alebo dvoch skiel z foto-stojanu. Tie postavíme vo zvislej polohe tesne vedľa seba tak, že ich spodná časť bude vo vode. Medzi nimi vytvoríme úzku medzierku, čo dosiahneme to tak, že medzi zrkadlá vložíme tri rovnaké tuhy z penteliek (napr. s priemerom 0,6 mm). Sústavu stiahneme dohromady gumičkami do vlasov (Obr. 5). Voda vo zvislej štrbine šírky d vystúpi do určitej výšky h, ktorú zistíme meraním. Ustálený stav zodpovedá rovnováhe síl.

Smerom nadol pôsobí tiaž vody G = ρ·lhdg, kde l je šírka zrkadiel, ρ hustota vody a g zrýchlenie voľného pádu. Smerom nahor (za predpokladu, že povrch vody vytvára „polvalcovú“ plochu) pôsobí povrchová sila F = 2·σ·l, kde σ je povrchové napätie vody. Porovnaním uvedených síl dostaneme vzťah

.

Pred meraním je potrebné zrkadielka dôkladne odmastiť pomocou bežných kuchynských čistiacich prostriedkov.

Meranie s injekčnou striekačkou

Injekčnú striekačku môžeme využiť aj pri meraní povrchového napätia vody (Obr. 6). Na ústie striekačky nastokneme kúsok tenkej hadičky, resp. trubičky vonkajšieho polomeru r. Do striekačky natiahneme vodu s „celistvým“ objemom v mililitroch (napr. 2 cm³) Potom zo striekačky, postavenej vo zvislej polohe s otvorom mieriacim nadol, pomaly a opatrne vytláčame vodu. Z ústia trubičky odkvapkáva kvapalina, pričom zaregistrujeme počet n kvapiek, ktoré odpadnú v priebehu vytlačenia jedneho mililitra (1 cm³) vody. Získané údaje nám postačia na približné určenie povrchového napätia σ (kapilárnej) konštanty vody.

Ide o kvapkovú metódu merania povrchového napätia v netradičnej úprave s tým, že sa pri nej zaobídeme bez váženia kvapiek. Hmotnosť kvapky určíme zo známej hustoty vody a zo zisteného objemu jednej kvapky. Objemu 1 ml zodpovedá n kvapiek.

Meranie povrchového napätia s U-limo-trubičkou

Pri tomto meraní použijeme limo-trubičku vo funkcii násosky. Trubičku ohneme do tvaru obráteného písmena U a jedným koncom ponoríme do vody vo fľaši, resp. poháre. Po naštartovaní násosky začne z vonkajšieho konca trubičky vytekať voda. Ak vonkajší koniec trubičky pomaly zdviháme, spojitý prúd vody sa zastaví a z násosky bude voda len kvapkať. Ak zmeriame priemer r limo-trubičky a zistíme hmotnosť m kvapky, môžeme povrchové napätie vody zistiť na základe predtým uvedenéhovzťahu pre kvapkové metódy

Experimenty v tanieri

Experimentálne usporiadanie využívajúce plytký tanier je znázornené na obr. 7. Při ňom použijeme dve plastové limotrubičky, cez okraje ktorých prevlešieme pomocou ihly nitky. Tie sú o okraj taniera prichytené pomocou štipcov na prádlo. Do zostavy možno zaradiť aj tenké gumičky do vlasov, pomocou ktorých sú nitky napnuté a sústava vykazuje viac pružnosti. Při experimentovaní nalejeme do taniera trochu vhodného roztoku a stlačením limotrubičiek nadol vtlačíme pracovný obdľžniček do roztoku. Tak sa vytvorí blana rovinnej geometrie, s ktorou môžeme robiť rôzne experimenty.

Ak na napnutú blanu položíme nejakú ľahkú tyčinku, blana sa o ňu prichytí. Po prepichnutí blany po jednej strane tyčinky sa táto začne pohybovať v dôsledku povrchových síl. Při inom pokuse použijeme nitku a po prepichnutí vhodnej časti blany pozorujeme oblúkové, prípadne kruhové tvary nitky. Ak blana praskne, obnovíme ju veľmi jednoducho vtlačením časti sústavy do roztoku a jej následným uvoľnením. Veľkosť pracovného obdľžnika môžeme meniť posúvaním limotrubišiek. Pre lepšie zviditeľnenie môžeme roztok prifarbiť potravinárskou farbou.

Meranie s fľašou a lievikom

Na obr. 8 vidíme experimentálnu zostavu vhodnú na meranie povrchového napatia v domácich podmienkach kvapkovou metódou. Je tvorená priehľadnou fľašou, do otvoru ktorej je zasunutý lievik. Do trubice lievika je vložená plastová limotrubička, pričom príslušná medzera je v dolnej časti utesnená napr. kúskom žuvačky. Do horného otvoru limotrubičky je vsunutá vatová tyčinka, ktorej úlohou je spomaliť vytekanie kvapaliny trubičkou. Ak do lievika nalejeme kvapalinu, bude táto vytekať trubičkou veľmi pomaly a z dolného otvoru limotrubičky bude odkvapkávať. Hmotnosť kvapky určíme z objemu vytečenej kvapaliny a z počtu kvapiek. Vonkajší priemer trubičky zmeriame.

Keďže kvapky odkvapkávajú dosť pravidelne, môžeme ich počet určiť aj na základe zmerania dlhšieho časového intervalu (napr. 30 min), ak vieme, koľko kvapiek odpadne napr. za tri minúty a pod. Do lievika občas prilejeme vodu, aby sa úroveň hladiny menila len minimálne. Má to výhodu pokiaľ ide o meranie objemu. Väčší objem vytečenej kvapaliny sa určí pohodlnejšie.

Literatúra:

[1] SVOBODA E. a kol.: Fyzika pre 2. roč. gymnázia, SPN Bratislava, 1991

[2] BANÍK I, BANÍK R.: Kaleidoskop učiteľa fyziky 4, MC Bratislava, 1995