Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Pawlik J., Widuch S.

Překlad do češtiny: Růžena Kolářová

Naše atmosféra vznikla jako výsledek kompromisu mezi tendencí rychlých částic k úniku a gravitací, která je přitahovala co nejblíže k Zemi. Plyny tvořící zemskou atmosféru, na které působí gravitační pole Země, tlačí na její povrch. Tím vyvolaný tlak nazýváme atmosferický. Tak velice jsme si zvykli na neviditelný vzduch, že úplně zapomínáme, že má tíhu. Tíha vzduchu, který je nad plochou o obsahu 1 m², odpovídá tlaku 1013 hPa.

Je to mnoho nebo málo?

Odpovědi na tuto otázku poskytl starosta Magdeburgu Otto von Guericke, který v roce 1657 provedl slavný pokus s dvěma polokoulemi. Pokus názorně ukázal velikost atmosférického tlaku.

Naše polokoule jsou udělané z kuchyňského nádobí. Jsou to dva velké hrnce, mezi které se vloží gumové těsnění. Do stěny jednoho hrnce je připevněn ventil umožňující vyčerpání vzduchu z vnitřku hrnců rotační vývěvou.

Uvnitř hrnců vznikne menší tlak (podtlak) než je tlak vně hrnců. Atmosferický tlak znemožňuje oddělení hrnců.

Vnucuje se otázka – jaký tlak musí denně vydržet naše tělo? Žijeme přece na dně „oceánu vzduchu“. Silná vrstva atmosféry obklopující Zemi tlačí na všechna tělesa nacházející se na Zemi, a tedy také na nás. Naše tělo musí proto vydržet tlak desetimetrového sloupce vody na každý 1 m² kůže! Hromada 10ti automobilů (obr. 2 [[1]]) nás přesvědčuje, že je to opravdu hodně.

Proč nás tedy „nerozmačká”? Vděčíme za to rovnováze tlaků – tlak v našich orgánech má stejnou hodnotu, jako tlak obklopujícího nás vzduchu. Proto tedy nemáme problémy pohybové a dýchací.

Co se stane, když se ta rovnováha poruší?

1) Vývěvou snížíme tlak pod recipientem, uvnitř něhož jsou málo nafouknuté balónky. Balónky zvětšují svůj objem tak, že vyplní celý dostupný prostor.  To by se stalo s kosmonauty v kosmickém prostoru. Tam je kosmické vakuum – nepříznivé pro naše těla. Proto jsou kosmonauti vybaveni skafandry, které vyrovnávají tlak, jinak by jejich těla explodovala.

2) Ale co dělat, když nemáme vývěvu?

Stačí dlouhá injekční stříkačka, balónek a korek.

V závislosti na směru pohybu pístu můžeme pozorovat změny rozměrů balónku. Jak se balónek chová, závisí na vztahu mezi tlakem uvnitř balónku (p_b) a tlakem uvnitř stříkačky (p_k).

3a) Imploze plechovky

Do plechovky nalijeme trochu vody a plechovku zahřejeme. Vodní pára vytlačí vzduch a vyplní celý objem plechovky. Potom rychlým pohybem vložíme plechovku otvorem dolů do studené vody. Plechovka nevydrží vnější tlak a zmačká se – imploduje.

03b) Naše babičky uměly mistrovsky využívat atmosférický tlak při přípravě zavařenin na zimu.

Nalévaly horké zavařeniny do sklenice a uzavřely je nepropustně např. balónkem. Během stydnutí zavařenin je balónek vtlačen dovnitř sklenice.

V obou pokusech (3a i 3b) kondenzace vodní páry při chladnutí vytvořila podtlak uvnitř plechovky a sklenice. Výsledkem bylo, že atmosférický tlak zmačkal plechovku a vtlačil balónek do sklenice.

Dnes při přípravě zavařenin využíváme víčko s gumovým těsněním. To působí jako ventil, který znemožňuje, aby se vzduch dostal dovnitř sklenice.

4) Jak z talíře naplněného vodou vyndat suchou rukou minci?

K dispozici máme svíčku, zápalky a skleněnou baňku. Zapálíme svíčku a přikryjeme ji baňkou. Svíčka zhasne a voda nateče dovnitř sklenice. Minci nyní můžeme vyndat suchou rukou.

V  tomto případě podtlak vytvořený uvnitř baňky je způsoben stejně tak tepelnou roztažností vzduchu jako kondenzací vodní páry vzniklé v důsledku úplného spálení kyslíku obsaženého uvnitř baňky.

(Zdeničko, vysvětlení není úplně v pořádku a bylo by dobré doplnit redakční poznámkou s přesným vysvětlením pokusu podle M. Rojka – bohužel díky stěhování tu nemám jeho knížku – kde se uvádí i částečné rozpouštění CO₂ ve vodě a kondenzace vodní páry, která je obsažena ve vzduchu)

Pijeme-li šťávu ze sklenice brčkem využíváme v podstatě sací pumpu. Sáním vytváříme v brčku nižší tlak, ale vnější tlak, tedy atmosférický tlak, který působí na celý povrch šťávy ve sklenici, vtlačuje šťávu do brčka.

5) Pingpongový míček padá rovnoměrně zrychleným pohybem v plastové trubici. Přikryjeme-li otvor, způsobíme zmenšení tlaku nad míčkem. V důsledku toho je tlak vzduchu dole větší než nahoře a to vede k zmenšení rychlosti padajícího míčku.

6) Díky rozdílu tlaků mezi plícemi a vnitřkem dutiny hrudní dýcháme. Modrý balón je bránice – hlavní dýchací sval. Když se stahuje, klesá dolů, tedy se zvětšuje objem dutiny hrudní. Takže se zmenšuje tlak vzduchu v plicích v porovnání s atmosférickým tlakem. V důsledku tohoto rozdílu tlaků vzduch rychle plní plíce – do okamžiku vyrovnání tlaků (vdech).

Během výdechu se bránice uvolňuje, zmenšuje se objem dutiny hrudní, tlak v plicích se zvětšuje o trochu víc, než je atmosférický tlak Z plicních sklípků se vypouští vzduch a jejich objem se zmenšuje. Tlaky se vyrovnávají a plíce jsou připravené na nádech.

[1] S. Pople, P. Whitehead, Vademecum ucznia. Fizyka. Delta Świat Książki, 1996