Pokusy s jednoduchými prostředky

Emanuel Svoboda

Přetlakový dasymetr

Potřeby: Velká plastová láhev s hladkou stěnou a uzávěrem, zkumavka (o průměru menším, než je průměr použité láhve), zátka, válcové závaží (o hmotnosti 50 g a s průměrem o něco menším, než je průměr láhve), pevná nit, dvě kancelářské sponky, špejle, špendlík, párátko, automobilový ventilek, hustilka (kompresor), tuhý papír, lepidlo, fix.

Příprava: Přetlakový dasymetr sestavíme podle obr. 1. Skleněnou zkumavku (1) důkladně zazátkujeme a do zátky (2) zapíchneme část špendlíku. Na zbývající část špendlíku přilepíme špejli (3). Jako lepidlo je vhodný Chemoprén. Na od zkumavky vzdálenější konec špejle přilepíme válcové závaží (4). Špejli volíme tak dlouhou, aby sestava (1)–(2)–(3)–(4) měla délku asi 4/5 vnitřní délky láhve. Na dno láhve zvnitřku přilepíme malou z papíru vytvořenou stupnici (5).

Na druhý konec zkumavky přilepíme asi 1 cm dlouhý kousek párátka (6), který obarvíme fixem, např. červeně. Na špejli nalezneme těžiště a do tohoto místa uvážeme nit tak, aby tvořila dvojitý závěs (nit musí vycházet po obou bocích špejle). Tím vytvoříme vahadlo, které zavěsíme na dva přilepené háčky (7) vyrobené z kancelářských sponek. Háčky jsou ve vzdálenosti asi 7 cm od hrdla láhve a od sebe jsou asi 3 cm.

Do uzávěru láhve uděláme otvor, do kterého našroubujeme autoventilek (8). Za pomoci jiné špejle nasadíme oba konce nití do háčků, aby nitě vycházely z hrdla ven. Vahadlo zasuneme hrdlem do láhve tak, aby blíže ke dnu láhve byla zkumavka. Současně táhneme za oba konce nití, pokud ukazovatel na konci vahadla nesměřuje přibližně proti středu stupnice (viz obr. 1). Pak oba konce nití ohneme přes okraj hrdla a zašroubujeme zátku.

V místě zátky upevníme vytvořenou soustavu do stojanu a k ventilku připojíme hustilku (nebo kompresor). Necháme ustálit vahadlo.

Provedení: Hustilkou (kompresorem) zvyšujeme tlak v láhvi. Pozorujeme, že se se vzrůstajícím přetlakem porušuje rovnováha. Ukazovatel se pohybuje nahoru. Jestliže hustilku odpojíme a ventilkem vypouštíme vzduch, přetlak v láhvi se zmenšuje a vahadlo se ustálí v původní poloze.

Vysvětlení: Na počátku děje, kdy je v láhvi vzduch o atmosférickém tlaku, je vahadlo v rovnovážné (přibližně vodorovné) poloze. Tíhová síla zkumavky a vztlaková síla na ni působící jsou v rovnováze s tíhovou silou závaží a vztlakovou silou působící na závaží. Jestliže v láhvi vytvoříme přetlak, změní se velikosti vztlakových sil. Protože zkumavka má větší objem, než je objem kompenzujícího závaží, je v tomto případě vztlaková síla působící na zkumavku větší, než vztlaková síla působící na závaží. Nenulový rozdíl těchto vztlakových sil způsobuje porušení původní rovnováhy, vahadlo zaujme novou rovnovážnou polohu. Když se naopak přetlak v láhvi snižuje, postupně se obnoví původní rovnováha.

Poznámky:

1. Pokus je vhodný pro demonstraci platnosti Archimedova zákona pro plyny.

2. Zkumavku je třeba volit co nejdelší a většího průměru, aby pákové vážky byly co nejcitlivější na změnu vztlakové síly. Zkumavka musí být velmi dobře utěsněna.

3. Pokud pozorování narušuje proudící vzduch z hustilky nebo kompresoru, vždy na chvilku přerušíme „pumpování“ a pozorujeme váhy až po uklidnění.

4. Pokus je vhodný pro projekci.

Tepelná loď

Potřeby: Tři stejné velké plastové láhve (1,5 l až 2 l), měděná tenkostěnná trubička délky asi 1 m a průměru 3 mm, pryžová hadička (např. od kapačky), 5 svíček, lepidlo (Chemoprén), velká fotomiska popř. vanička, hřebík, krátká trubka o vnějším průměru asi 3 cm, zápalky.

Příprava: Všechny tři plastové láhve k sobě podélně přilepíme. Vhodné je lepidlo Chemoprén. Pak u prostřední láhve odstříhneme podélně část plastového obalu nad úrovní slepených částí. Tím vytvoříme úložný prostor lodi. Z měděné trubičky vytvoříme navinutím na trubku pružinu o vnitřním průměru asi 3 cm se stoupáním závitů kolem 5 mm. Konce pružiny necháme v délce 20 cm nenavinuté. Tyto konce upravíme do tvaru, který je na obr. 2a. Přední konec A je asi 4 cm pod úrovní zadního (vodorovného) konce B. Vzdálenost konců A a B volíme asi o 10 cm menší, než je délka láhve.

V úložném prostoru lodě uděláme rozžhaveným hřebíkem dva otvory pro vstup a výstup trubičky. Jeden otvor uděláme v přední části lodi (blíže k hrdlu), druhý na opačné straně láhve. Do otvorů zapustíme pružinu a dokonale oblepíme lepidlem. Uspořádání je na obr. 2b.

Do úložného prostoru pod pružinu umístíme 5 svíček, aby jí dostatečně ohřívaly. Je také možné umístit jednu nebo dvě svíčky pod přední konec měděné pružiny. Umístění svíček je také vidět z obr. 2b.

Takto vytvořenou loď položíme na velkou fotomisku (nebo vaničku) s čistou vodou. Z konstrukce lodi vyplývá, že vstup i výstup pružiny jsou pod hladinou vody. Na výstup pružiny (v místě B na obr. 2b) nasadíme hadičku a ústy nasajeme vodu do pružiny. Po nasátí vody hadičku opatrně odpojíme.

Provedení: Zapálíme všechny svíčky, loď přitáhneme k jednomu kraji nádoby a čekáme, až se loď rozjede.

Vysvětlení: Ohřátá voda v pružině má menší hustotu než chladná voda v nádobě, proto stoupá vzhůru. Protože je přední konec trubičky níž, je ohřátá voda vytlačována zadním koncem ven z pružiny za současného nasávání chladné vody předním koncem. Jedná se tedy o reaktivní pohon lodi.

Tlak syté páry etheru

Potřeby: Plastová láhev 1,5 l, zátka s otvorem, trubice se zúženým koncem (délky větší, než je výška použité láhve), úzká krátká zkumavka, dvě gumičky, kádinka s teplou vodou, potravinářská barva, velká fotomiska.

Příprava: Láhev naplníme asi do 1/4 obarvenou vodou teploty kolem 35 °C a uzavřeme ji zátkou, jejímž otvorem prochází trubice nahoře zúžená a dole sahající až téměř ke dnu. K trubici ještě před zasunutím do láhve připevníme gumičkami úzkou kratší zkumavku naplněnou etherem. Soustavu, jejíž uspořádání je na obr. 3, postavíme na velkou fotomisku.

Provedení: Nejprve demonstrujeme vytvoření rovnovážného stavu soustavy. Část etheru se vypaří z poměrně malé plošky, kterou zaujímá povrch etheru ve zkumavce. Proto plyn nad vodou v láhvi má určitý přetlak vzhledem k atmosférickému tlaku (tlaku vzduchu vně láhve). To se projeví zvýšením vodního sloupce v trubici nad hladinu vody v láhvi. Pokud nebude teplota vody v láhvi příliš vysoká, obarvená voda z trubice nevytéká.

Potom horní otvor trubice ucpeme prstem, láhev převrátíme, pak opět postavíme na fotomisku a otvor uvolníme. Voda vysoko vytryskne.

Vysvětlení: Na počátku pokusu se sice ether vypařuje, ale jen málo. Celkový tlak vzduchu, vodní a etherové páry v uzavřeném prostoru nad vodou je nepříliš větší než okolní atmosférický tlak. Proto tlaková síla působící na vodní hladinu vně trubice nevytlačí vodu z této trubice.

Převrácením láhve a vrácením do původní polohy se ether rozlije po povrchu vody, začne se intenzivně vypařovat a tlak plynů nad kapalinou výrazněji převýší atmosférický tlak. V láhvi vznikne přetlak, proto tlaková síla vytlačuje vodu z láhve. Vznikne fontána.

Poznámky:

1. Není vhodné naplňovat láhev příliš horkou vodou. Může se pak stát, že fontána je příliš vysoká, obarvená voda stříká mimo misku, může dostříknout až na strop a zanechá stopy na omítce apod. Není také nutné použít příliš mnoho etheru.

2. Někdy se může stát, že na počátku pokusu, kdy se ether vypařuje jen ze zkumavky, vznikne v láhvi podtlak, protože vzduchu odejmuté skupenské teplo vypařování způsobí snížení teploty vzduchu a tím i zmenšení jeho tlaku. Je tedy nutné pokus jednak si předem vyzkoušet, jednak správně interpretovat vytvořené stavy.

Literatura:

[1] Svoboda, E.: Pokusy z fyziky s jednoduchými pomůckami, Praha, Prometheus 1995.

[2] Kubásek, Z.: Jednoduché pokusy s plastovými láhvemi, Diplomová práce (ved. práce prof. E. Svoboda), MFF UK Praha, 1996.

[3] Svoboda, E. a kol.: Přehled středoškolské fyziky, Praha, Prometheus, 1996.