Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Česáková J., Vondřejcová K., Křížová M.

Abstrakt

Akce Hrajme si i hlavou, kterou pořádá Katedra fyziky PřF UHK, proběhla v roce 2011 již počtvrté. Příspěvek bude věnován stručnému představení akce a především několika zajímavým experimentům, které se na akci objevily.

Úvod

Čtvrtý ročník akce Hrajme si i hlavou probíhal 16. a 17. června 2011. Nosným prvkem bylo téma velmi široké a obsáhlé – ČLOVĚK, které jsme si rozdělili na menší celky.

Stánky zaměřené na lidské tělo zkoumaly vlastní smysly a jejich spolehlivost, návštěvníci akce si mohli změřit tlak a vyzkoušet si, jak velký tlak v těle působí, dále mohli trénovat zásady první pomoci a objevovat různé optické klamy, z nichž některé budou rozebrány v tomto příspěvku.

Druhým velkým okruhem, ze kterého vybereme dvě ukázky pokusů, byly historické experimenty a objevy, které lidstvo posouvaly dál k dnešnímu vědění. Tipovali jsme, kolik vody potřeboval Pascal k rozbití sudu nebo jak se dá nabírat voda podle Archiméda. Mnoho pokusů bylo zaměřeno i na oheň – živel, který lidstvu pomáhal již od prvopočátku. Téma bylo doplněno i různými historickými zajímavostmi z matematiky. Návštěvníci tak např. zjistili, jak se kdysi násobilo v Číně, jaké zajímavé poměry jsou mezi určitými objemy těles, a mohli ověřit, zda opravdu platí Pythagorova věta.

Dalšími tématy byla fyzikální kouzla, hračky z odpadků, zajímavé hudební nástroje, mezi pokusy nechybělo oblíbené vzduchové dělo a mnoho dalšího. Již taktéž tradičně bylo k dispozici poutavé vyprávění kolegů z Hvězdárny a planetária v Hradci Králové nejen o Slunci. Program dále doplňovaly přednášky a trasy, které byly spojené s dalšími soutěžemi. Jednotlivá stanoviště aktivně zapojovala návštěvníky do plnění mozek tříbících úkolů a jejich odměnou se stali „hlavouni“, které bylo možné vyměnit za krásné ceny – joja, přívěsky, lupy, návody na skládačky atd.

Vybrané pokusy z ročníku 2011

Optické klamy

Téměř každý den na internetu nalezneme nová fascinující videa, která běžně známé optické klamy, existující doposud „pouze“ na papíru, převádějí do reality. Jejich realizace není jednoduchá, ale na druhou stranu zase zaujmou i nefyzikálně zaměřené osoby. Proto jsme se o realizaci několika takových známých fenoménů pokusili.

Ames room

Amsova místnost je známý optický klam, který byl vynalezen zřejmě americkým lékařem Adelbertem Amesem [1]. Jde o místnost, jejíž konstrukce je vytvořena tak, že osoba v jednom rohu vypadá jako obr, kdežto v druhém rohu je jako trpaslík. Realizací takové místnosti je mnoho po celém světě a jejich konstrukce jsou různé. Pro co nejlepší efekt je třeba naklonění podlahy. Na akci Hrajme si i hlavou však byl jako prototyp použit zřejmě nejjednodušší způsob, jak Amsovu místnost vyrobit, bez naklonění, který vytvořil úspěšný kompromis mezi požadovaným efektem, nákladností „stavby“, možností umístění stavby v rámci akce a odolností pro nápor mnoha návštěvníků.

Na obr. 1 je půdorys naší Amsovy místnosti – černě jsou vyznačeny délky jednotlivých stran a červeně jsou výšky rohů. Jak je vidět, tak v "rohu obra" je výška 1,5 metru a "roh trpaslíka" je vysoký 2,5 metru. Použitým materiálem byly sanitární trubky, které se dají levně pořídit v různých šířkách i délkách a dobře se i upravují na jiné rozměry. Spoje jsme prováděli pomocí izolepy a různě vyrobených kloubů. Na ozdobu a zamaskování konstrukce jsme potom použili zahradní fólie. Podstavu jsme pro lepší efekt vyrobili z kartonu a papíru a pokreslili šachovnicí.

Další oblíbené optické klamy

Stručně ještě popišme Penroseův trojúhelník (obr. 3), který najdeme i pod názvem tribar nebo nekonečný trojúhelník. Nakreslit tribar je poměrně jednoduché, jeho konstrukce je však složitější a je opět více možností. Složitější varianta je zobrazena. Na obr. 4 a v reálu je možno ji vidět v australském Perthu [2] nebo v Plzni v Techmanii.

My jsme zvolili jednodušší konstrukci. K ní je potřeba (jak je vidět na obr. 5) pouze slepit několik kostiček a jednu kostičku diagonálně rozříznout.

Déle jsme návštěvníky přiměli, aby se na svět dívali jinýma očima. Mohli se vyfotit na hraně krychle, vyzkoušet si plochý – neplochý klobouček, ukazovali jsme deformované obrázky, které bylo možné pozorovat na různě zakřivených zrcadlech atd.

Pokusy z historie

Magdeburské polokoule

Experiment byl historicky motivován experimenty s polokoulemi prováděnými v sedmnáctém století Otto von Guerickem ve městě Magdeburk. A protože jsou Magdeburské polokoule jako pomůcka na běžných školách málo dostupné, mohou žáci experiment zkoušet pomocí přísavek (např. zvonů na čištění odpadu, obr. 7). Tato varianta je i mnohem méně obtížná na přípravu a realizaci a v neposlední řadě také finančně dostupná.

K tomuto experimentu si opatříme dvě přísavky stejného typu (kuchyňské, nebo určené pro uchycení napáječky pro hlodavce) Očistíme styčné plochy přísavek a pečlivě je k sobě přitiskneme, aby mezi nimi nebyla vzduchová mezera. Žáci zkouší tahem přísavky od sebe odtrhnout.

Pro výpočet velikosti síly vyvinuté k jejich odtržení změříme průměr styčné plochy a zjistíme aktuální hodnotu atmosférického tlaku v daném místě. Požijeme vztah:

\[ F = p_a S = p_a \pi \frac{d^2}{4}. \]

Výpočet pro konkrétní použité přísavky, jejichž průměr d je roven 4,5 cm = 0,045 m za atmosférického tlaku 10⁵ Pa:

\[ F = 10^5 \pi \frac{0,045^2}{4} \dot{=} 160\,\mathrm{N}. \]

Vypočtená velikost síly je v souladu s měřeními, která byla provedena ve fyzikální laboratoři UHK s čidlem pro měření velikosti síly. Výsledky byly zpracovány v programu IPCOACH. V okamžiku odtržení zvolených kuchyňských přísavek byla naměřena velikost síly 149 N. Při pořízení přísavek s různě velkou plochou, můžeme ukázat i závislost velikosti síly (nutné pro odtržení) na ploše. Obráceně také z měření můžeme určovat atmosférický tlak.

Pascal a sud

Vypráví se, že Blaise Pascal naplnil velký sud až po okraj vodou a zavřel ho víkem. Do víka udělal malý otvor, do kterého zasunul úzkou kovovou trubičku dlouhou několik metrů. Otvor okolo tyče dobře utěsnil. Poté do trubky začal nalívat vodu a postupně trubku vodou plnil. Když byla hladina vody několik metrů nad sudem, sud vlivem hydrostatického tlaku praskl! Zopakujme tento experiment, ale pro jednoduchost jen s polyethylenovým sáčkem.

Hadici ponoříme do většího lavoru s vodou a zcela ji naplníme vodou. Pod vodní hladinou na jeden konec hadice nasuneme sáček a pevně ho ovážeme nití. Celou soustavu necháme ponořenou pod hladinou vody v lavoru tak, aby se do ní nedostala žádná vzduchová bublinka. Připravíme ještě dva další lavory: jeden prázdný, druhý naplněný (potravinářským barvivem) obarvenou vodou.

Vyrobíme si podložky např. z polystyrénových desek, kterými budeme zvyšovat rozdíl výšky otevřené hladiny vody v lavoru a sáčku. Názorné jsou desky tloušťky 10cm, protože výška vodního sloupce 10 cm odpovídá přibližně tlaku \[ ph = h\rho g = 0,1\,\cdot\,1\,000\,\cdot\,10\,\mathrm{Pa} = 1\,\mathrm{kPa}.\]

Konec hadice, na kterém máme přivázaný sáček, přemístíme do prázdného lavoru. Při manipulaci se nesmí do hadice dostat volným koncem vzduch! Lavor, ve kterém máme ponořený volný konec hadice, podložíme první deskou. Pozorujeme pronikání vody hadičkou do sáčku. Ve chvíli, kdy proudění kapaliny ustane, došlo k vyrovnání tlaků. Podložíme lavor s vodou další deskou a opět pozorujeme proudění vody do sáčku. Opakujeme tak dlouho, než sáček praskne.

Žáci pozorují sáček a rozhodují o přidání podkladních desek pro zvětšení výškového rozdílu. Pro případ, že si nejsou jisti, zda voda ještě proudí, nebo zda již došlo k vyrovnání tlaků, máme lavor s vodou odlišné barvy. Konec hadičky přendáme do druhého lavoru. Při přendávání nezapomeňme ucpat palcem konec, aby se do hadičky nedostal vzduch! Pozorujeme, zda kapalina proudí.

Po prasknutí sáčku sečteme desky použité na podkládání a vypočítáme celkový hydrostatický tlak.

Lze také porovnávat odolnost vůči tlaku různých typů sáčků. Nejvhodnější jsou zamrazovací mikrotenové sáčky tloušťky 0,015 mm, které se protrhávají pod vlivem tlaku o velikosti přibližně 8 kPa. Pevnější materiály, jako např. igelitové tašky jsou pro tento experiment nevhodné, protože dochází k poškození v místech švu a k postupnému úniku vody.

Závěr

Na akci se podílejí zaměstnanci, doktorandi a studenti Univerzity Hradec Králové. Letošní ročník pokořil hranici dvou tisíců návštěvníků. Další informace a fotografie lze najít na stránkách akce [3]. 

Literatura

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Ames_room

[2] http://im-possible.info/english/art/sculpture/mckay.html

[3] www.hrajme-si-i-hlavou.cz