Mechanické vlastnosti kapalin a plynů demonstrované pomocí improvizovaných prostředků – plastových láhví

Věra Novobilská

1. Ověření Pascalova zákona

Potřeby: plastová láhev (1,5 l průhledná) s uzávěrem, opatřená otvory

Příprava a provedení: V horní části láhve vytvoříme horkým hřebíkem o průměru cca 2 mm dvě řady otvorů. Láhev nejprve naplníme vodou pod otvory, potom ji uzavřeme a překlopíme. Po mírném zmáčknutí stěn láhve vystřikuje voda do všech směrů.

Vysvětlení: Pascalův zákon.

2. Stlačitelnost vzduchu

Potřeby: plastová průhledná láhev 1,5 l, gumová zátka, skleněná trubička

Příprava a provedení: V gumové zátce vyvrtáme otvor korkovrtem o vhodném průměru, aby skleněná trubička, o něco delší než je výška láhve, nahoře v plameni zúžená a otavená, v otvoru dobře těsnila. Trubičkou ponořenou pod hladinu vody nafoukáme do láhve vzduch. Když přestaneme foukat, začne voda tryskat z láhve v podobě fontány.

Vysvětlení: Stlačený vzduch působí zvýšeným tlakem na hladinu a vtlačí vodu do trubice.

3. Ověření stavu beztíže

Potřeby: viz pokus č. 2

Příprava a provedení: Navazuje na pokus č. 2 – v okamžiku, kdy v předchozím pokusu voda právě přestane stříkat, necháme láhev volně padat. Během pádu pozorujeme opět tryskající fontánu. (Pokus je třeba provádět velmi opatrně, aby se skleněná trubička nezlomila.)

Vysvětlení: Rovnováha tlaku vzduchu uzavřeného v láhvi a hydrostatického tlaku vody je při volném pádu narušena. Hydrostatický tlak je roven nule, a proto vzduch vtlačí vodu do trubice.

4. Závislost hydrostatického tlaku na hloubce

Potřeby: plastová láhev (průhledná, 1,5 l), stojan (nejlépe s regulovatelnou výškou na způsob heveru), nálevka, fotomiska, větší nádoba (další plastová láhev)

Příprava a provedení: Do láhve vypálíme otvory horkým kovovým předmětem tak, aby jejich vzájemné vzdálenosti byly stejné a aby otvory ležely v přímce nad sebou. Láhev vyvýšíme a vodu necháme stříkat do fotomisky. Pozorujeme, jak s rostoucí hloubkou roste délka dostřiku.

Vysvětlení: v = 2 h g.

5. Pascalova kouzelná fontána

Potřeby: 2 plastové láhve, 2 gumové zátky, 5 skleněných trubiček (3 x asi 10 cm – jednu z nich na konci zúžit do trysky, 2 x asi 30 cm, skleněná nálevka, gumová hadička (celková délka asi 1,5 m) na spojování skleněných trubic, dva stojany s úchytnými držáky, jeden stojan s měnitelnou výškou (hever), kádinka.

Příprava a provedení: vodou naplněná láhev s tryskou musí být umístěna aspoň o 20 cm výše než druhá láhev s nálevkou. Vyšší láhev je naplněna těsně pod ústí spojovací trubice. Po důkladném přezkoušení těsnosti všech spojů začneme do nálevky nalévat vodu tak dlouho, až je asi z poloviny naplněna. Z dýzy vytryskne pramen vody, kterou necháme vtékat do nálevky spodní nádoby. Při dokonalém těsnění všech spojů jsou množství vody vteklé a vyteklé z nálevky stejná a hladina vody v nálevce se proto nemění. Tento děj probíhá tak dlouho, dokud se nevyprázdní horní láhev. Při vnitřním průměru trysky kolem 1 mm bude voda tryskat asi 12 minut.

Vysvětlení: stoupající hladina vody v pravé nádobě zvyšuje tlak vzduchu v pravé, a tím i v propojené levé láhvi. To má za následek vtlačování vody do trubice v levé láhvi a vznik fontány.

6. Přeměna vody na víno

Potřeby: dvě pevnější plastové láhve (od octa), 1 uzávěr, 1 gumová zátka, 1 skleněná trubička rovná, 1 skleněná trubička třikrát ohnutá do pravého úhlu, 1 skleněná trubička krátká, 1 skleněná trubička dlouhá, skleněná nálevka (stejné tloušťky jako trubičky), 2 stejné menší kádinky, gumová hadička

Příprava a provedení: Provrtanou gumovou zátku pevně nasadíme na skleněnou trubičku, která zasahuje téměř ke dnu láhve a na horní část nasadíme pomocí vhodné hadičky nálevku. Do obou láhví vypálíme ve stejné výši stejně velké kruhové otvory (korkovrtem) a těsně vtlačíme gumové hadičky, které navzájem propojíme skleněnou trubičkou. Provedení pokusu je patrné z obrázku. Celý úspěch tkví v dokonalém těsnění všech spojů. Druhou láhev (s výpustí) naplníme až těsně pod horní přítokový otvor obarvenou vodou („vínem“) a uzavřeme uzávěrem. Vše šikovně ukryjeme kartonem, aby byla vidět pouze nálevka a výtoková trubice. Když nyní nalejeme do nálevky čistou vodu, vyteče na druhém konci stejné množství obarvené vody („vína“).

Vysvětlení: Přiléváním vody do první láhve se zmenšuje objem vzduchu a roste tlak. Ten vytlačuje vodu ze sousední láhve.

7. Karteziánský potápěč

Potřeby: plastová láhev s uzávěrem (1,5 l průhledná), oční kapátko

Příprava a provedení: Plastovou láhev zcela naplníme vodou a uzavřeme. Jako karteziánský potápěč (tzv. „karteziánek“) se dobře hodí oční kapátko naplněné vodou se vzduchovou bublinou. (Karteziánek musí být naplněn vodou tak, aby ještě plaval na hladině.) Při zmáčknutí stěn láhve se karteziánek potopí, při povolení tlaku opět vystoupí nahoru.

Vysvětlení: Příčina tkví v nestlačitelnosti vody a stlačitelnosti vzduchu. Tlak na stěny láhve je přenášen vodou a způsobí vniknutí vody do kapátka, které se tím stane těžší a začne klesat.

8. Heronova sluneční fontána

Potřeby: 2 plastové láhve s provrtanými gumovými zátkami, 2 skleněné trubičky ohnuté do pravého úhlu a na konci zúžené, bílý a černý papír, tepelný zdroj (horské sluníčko)

Příprava a provedení: Do láhve nalijeme asi 2 cm vody, nastrkáme 2 až 3 kopírovací papíry. Láhev uzavřeme zátkou, kterou prochází zahnutá trubička, která dosahuje téměř ke dnu láhve. Láhev umístíme do vzdálenosti 25 cm až 50 cm před zdroj infračerveného záření. Po krátké chvíli začne z trysky vystřikovat voda. Pro srovnání je dobré pokus zopakovat ještě jednou se dvěma láhvemi – jednou s kopírovacím papírem a druhou bez něho, příp. s bílým papírem.

9. Výtoková rychlost

Potřeby: plastová láhev (1,5 l, průhledná), provrtaná zátka, skleněná trubička, fotomiska, laboratorní stolek jako stojan

a) rychlost klesá

Příprava a provedení: Asi 3 cm nade dnem vypálíme do stěny nádoby otvor o průměru cca 5 mm. Z vyvýšené láhve necháme vytékat vodu do fotomisky a pozorujeme, jak se dostřik zkracuje s klesající hladinou.

b) rychlost je konstantní

Příprava a provedení: Zhotovíme tzv. „Mariottovu láhev“: je to uzátkovaná láhev, do níž je vzduchotěsně nasazena na obou koncích otevřená trubička, kterou může vzduch bublat do vody. Je-li spodní otvor této trubice ve výšce h nad výtokovým otvorem, pak je v tomto místě stále vnější atmosférický tlak a vytékající kapalina má podle Torricelliho vzorce stálou rychlost v = 2 h g, pokud je trubice pod hladinou kapaliny.

Vysvětlení: Trubice přenáší stálý atmosférický tlak z horní hladiny kapaliny pod ni. Odtéká-li při bublání kapalina z láhve, svědčí to o tom, že tlak vnějšího vzduchu sahajícího až k hladině B se vyrovnává s vnitřním tlakem v téže hladině, který je roven součtu tlaku zředěného vzduchu v láhvi a hydrostatického tlaku kapaliny v hloubce B. Výtoková rychlost je tedy dána přetlakem určeným výškou h (vzdáleností hladin B a C). Protože se tato výška nemění, nemění se také výtoková rychlost, pokud všechna kapalina obsažená mezi hladinami A a B nevyteče a hladina B nezačne klesat.

Poznámka: u všech pokusů závisí úspěch na dokonalém těsnění všech spojů.