Několik pokusů
Josef Trna
1. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti pevné látky
Potřeby: Bimetalový pásek, tenký drátek, závaží (několik gramů), pevná kladka, destička (asi 10x10 cm ze skla či kovu, plastu, překližky), 2 stativy s držáky, kahan.
Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte vodorovně bimetalový pásek tak, aby se po zahřátí ohnul dolů. Na jeho volný konec upevněte (např. do vyvrtaného otvoru) tenký drátek, který svisle veďte přes pevnou kladku, upevněnou na stejném stativu ve druhém držáku. Na volný konec drátku zavěste závaží (několik gramů). Pro přehlednost pokusu je vhodné, aby závaží viselo ve stejné výši jako bimetalový pásek. Závaží podložte destičkou, upevněnou na druhém stativu. Destička slouží jako index počáteční polohy závaží. Plamenem kahanu zahřejte bimetalový pásek – závaží je vyzdviženo nad destičku.
Vysvětlení: Díky rozdílnému koeficientu teplotní délkové roztažnosti kovových částí bimetalového pásku dojde k jeho prohnutí. Toto prohnutí pomocí závěsu a pevné kladky způsobí vyzdvižení závaží. Tak je demonstrován jeden z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mechanickou práci.
Poznámka: Po ochlazení bimetalového pásku je možno proces zopakovat.
2. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti kapaliny
Potřeby: Baňka (asi 1 litr), obarvená voda, gumová zátka se skleněnou trubičkou, spojovací plastová hadička, plastová injekční stříkačka (5 ml), závaží (několik gramů), barevná plastová tyčinka (špejle), 2 stativy s držáky, síťka s azbestem, kahan.
Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte svisle plastovou injekční stříkačku trnem dolů. Na tento trn navlékněte pevně plastovou (průhlednou) spojovací trubičku, jejíž druhý konec stejným způsobem napojte na skleněnou trubičku, která vodotěsně prochází gumovou zátkou. Zátka pevně uzavírá baňku, upevněnou v držáku na druhém stativu. Celý systém naplňte obarvenou studenou vodou a dobře jej odvzdušněte. Píst v injekční stříkačce před naplněním úplně stlačte na nulový objem. Na horní plošku pístu položte několikagramové závaží (vhodné je „přilepit“ toto závaží např. kouskem plastelíny). Na stativ se stříkačkou připevněte vodorovně index (barevnou plastovou tyčinku nebo špejli), který nastavte do počáteční úrovně závaží. Plamenem kahanu zahřívejte baňku s vodou – píst se zvedá a závaží je tak vyzdviženo.
Vysvětlení: Zahřátím kapaliny dojde díky její teplotní objemové roztažnosti ke zvětšení objemu kapaliny, která zdvihne píst ve stříkačce a tím i závaží. Tak je demonstrován další z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mechanickou práci.
Poznámka: K naplnění systému kapalinou použijte další plastovou injekční stříkačku, na jejíž trn je nasazena tenká plastová hadička – např. stažená izolace z kovového vodiče. Zátka v baňce i plastová hadička musí být pevně vtlačena či nasazena, aby voda neunikala mimo systém.
3. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti plynu
Potřeby: Baňka (asi 1 litr), gumová zátka se skleněnou trubičkou, spojovací plastová hadička, plastová nebo skleněná injekční stříkačka (10 ml a více), závaží (několik gramů), barevná plastová tyčinka (špejle), 2 stativy s držáky, síťka s azbestem, kahan.
Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte svisle injekční stříkačku trnem dolů. Na tento trn navlékněte pevně plastovou (průhlednou) spojovací trubičku, jejíž druhý konec stejně napojte na skleněnou trubičku, která vodotěsně prochází gumovou zátkou. Zátka pevně uzavírá baňku, upevněnou v držáku na druhém stativu. Píst v injekční stříkačce úplně stlačte na nulový objem. Na horní plošku pístu položte několikagramové závaží (vhodné je „přilepit“ toto závaží např. kouskem plastelíny). Na stativ se stříkačkou připevněte index (barevnou plastovou tyčinku nebo špejli), který nastavte do počáteční úrovně závaží. Plamenem kahanu opatrně zahřívejte vzduch v baňce – píst se zvedá a závaží je tak vyzdviženo.
Vysvětlení: Zahřátím vzduchu dojde díky jeho teplotní objemové roztažnosti ke zvětšení objemu vzduchu, který zdvihne píst ve stříkačce a tím i závaží. Tak je demonstrován další z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mechanickou práci.
Poznámka: Zátka v baňce i plastová hadička musí být pevně vtlačena či nasazena, aby vzduch neunikal mimo systém.
4. Vztlaková síla v kapalině
Potřeby: Polystyrénové plováky, silonová nit, kladka na zátěži, siloměry (1–5 N), stativ s držákem, kádinka či elementka (asi 2 litry), destilovaná voda, líh, roztok kuchyňské soli.
Příprava a provedení: Kladku se zátěží spusťte na dno vysoké elementky (vysoké válcové kádinky) o obsahu asi 2 litry. Nádobu umístěte na podstavnou desku stativu. Na stativ nad nádobu upevněte vodorovnou tyč (držák) a na ni zavěste siloměr (cejchovaný po desetinách newtonu s rozsahem 2–5 newtonů). Na siloměr připevněte silonovou nit, kterou provlečte kladkou v nádobě a na druhý konec přivažte polystyrénový plovák. Do nádoby nalejte vodu a délku niti upravte tak, aby celý plovák byl vynořen nad vodou (zkrácení niti nebo posunutí tyče na stativu). Plovák postupně ponořujte posouváním držáku se siloměrem po stativu. Výchylka siloměru se postupně zvětšuje.
Vysvětlení: Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině je obvykle demonstrována jako součást Archimédova zákona. Zde je ukazována samostatně jako síla, působící na těleso proti síle tíhové, se kterou se skládá. Experiment má za cíl demonstrovat následující kvalitativní i kvantitativní vlastnosti vztlakové síly:
(a) Existence a velikost vztlakové síly
Při zanedbání vlastní tíhy polystyrénového plováku výchylka siloměru indikuje existenci a ukazuje velikost vztlakové síly, kterou působí kapalina na plovák. Velikost vztlakové síly závisí na ponořené části tělesa, působí i na částečně ponořené těleso. Směr vztlakové síly zakreslete s využitím znalosti žáků o změně směru síly pomocí kladky.
(b) Nezávislost vztlakové síly na tvaru tělesa
Na stěně nádoby vyznačte polohu hladiny kapaliny při úplně ponořeném plováku (ryska na cejchované kádince, samolepka, fix či jiný index). Plovák pak nahraďte plovákem jiného tvaru (válec, krychle, kvádr, koule či nepravidelné těleso) stejného objemu - hladina je stále ve výši označené indexem. Vztlaková síla nezávisí na tvaru ponořeného tělesa.
(c) Nezávislost vztlakové síly na hloubce
Měňte výšku siloměru nad hladinou vody a tak měňte hloubku, ve které je celý plovák ponořen. Vztlaková síla nezávisí na hloubce, ve které je celé těleso ponořeno (změnu hustoty kapaliny zanedbáváme).
(d) Závislost vztlakové síly na objemu ponořeného tělesa
Plovák nahraďte plovákem polovičního a dvojnásobného objemu (odměřte pomocí stupnice – indexů na stěně nádoby). Odečtěte příslušné velikosti (poloviční, dvojnásobnou) vztlakové síly. Velikost vztlakové síly je přímo úměrná objemu ponořeného tělesa.
(e) Závislost vztlakové síly na hustotě kapaliny
Původní plovák ponořte střídavě do ethanolu, destilované vody a do roztoku soli ve vodě. Při každé změně kapaliny odečtěte velikost vztlakové síly. Velikost vztlakové síly je přímo úměrná hustotě kapaliny, ve které je těleso ponořeno.
(f) Hustoměr
Do různých kapalin ponořte plovák o objemu 100 cm3. Hodnota vztlakové síly je rovna: Fvz = objem ∙ hustota kapaliny ∙ tíhové zrychlení, což pro destilovanou vodu je:
Fvz = 100 ∙ 10-6 ∙ 103 ∙ 10 N = 1 N
Siloměr (rozsah 1–2 N) je tedy možno ocejchovat v jednotkách hustoty a užívat jej jako hustoměr pro měření hustoty kapalin.
Poznámka: Pokus (d) je možno nahradit postupným ponořováním (vynořováním) plováku, na kterém jsou vyznačeny části (polovina, čtvrtiny atd.) jeho objemu.
