Několik pokusů z mechaniky kapalin a plynů

Josef Trna

1. Pascalův zákon pro kapaliny a plyny

Potřeby: plastová láhev s různě zahnutými skleněnými trubičkami vedenými víčkem (např. Ariane Schola), obarvená voda, deska se stejnými U-trubicemi a přívodními plastovými hadičkami (např. Ariane Schola), plastová stříkačka s hadičkou.

Příprava: Láhev s trubičkami naplníme obarvenou vodou (obr. 1) nebo naplněnou vzduchem spojíme s U-trubicemi, do kterých předem stříkačkou vpravíme obarvenou vodu (obr. 2).

Provedení: Rukou stlačíme obsah láhve (vodu nebo vzduch) a pozorujeme stejnou výšku hladiny kapaliny v trubičkách nebo v U-trubicích.

Vysvětlení: Změna tlaku způsobená vnější silou v kapalině nebo plynu je v nádobě (v láhvi) ve všech místech stejná – Pascalův zákon.

Poznámky: Kapalinou je možno naplnit láhev částečně i úplně. V případě plné láhve odpadá problém s vysvětlováním chování vzduchu v láhvi. U vzduchu je třeba „vynulovat“ tlak v U-trubicích odšroubováním víčka.

2. Fyzikální základy létání

Potřeby: páka na stojanu, jezdec s vyrovnávacím závažím, držák modelů těles, vysoušeč vlasů s nástavcem ve stativu, přívodní šňůra s vypínačem, modely těles (deska, válec, půlválec, křídlo).

Příprava: Sestavíme páku na stojanu (obr. 3), a to tak, že na jednom rameni páky je umístěn jezdec s vyrovnávacím závažím a na druhém rameni je připevněn otočný držák modelů (obr. 4) (např. „krokosvorka“). Do dalšího stojanu upevníme vysoušeč vlasů s nástavcem. Vysoušeč připojíme do elektrické sítě.

Provedení: Postupně upevňujeme do držáku modely desky, válce, půlválce a křídla, které vyvážíme jezdcem do rovnováhy. Spínačem zapojíme vysoušeč a jím foukáme vzduch vodorovně na modely. Měníme sklon desky (vodorovně, nahoru, dolů). V případě šikmé desky, půlválce a křídla dojde k porušení rovnováhy na páce.

Vysvětlení: Demonstrujeme dva fyzikální principy létání:

a) pomocí složky odporové síly – vodorovná a nakloněná deska,

b) pomocí nestejného obtékání povrchu těles (Bernoulliho rovnice) – válec, půlválec a křídlo.

Poznámky: Je vhodné ukázat oba směry pohybu těles (deska, půlválec). Vysoušeč je možno držet i v ruce, což je však méně přesvědčivé. Doporučujeme u křídla ukázat kombinaci obou principů létání nakloněním křídla.

3. Paradox 1 z hydrostatiky

Potřeby: skleněný válec, voda, polystyrénový válec s kovovou odnímatelnou podstavou.

Příprava: Do skleněného válce nalejeme vodu a sestavíme polystyrénový válec s kovovou podstavou (obr. 5).

Provedení: Do vody ve skleněném válci ponoříme polystyrénový válec s kovovou podstavou umístěnou nahoře. Nad hladinu vody vyčnívá jen kovová podstava. Pak válec vyjmeme, otočíme a opět ponoříme. Paradoxně se vynoří část polystyrénu stejné tloušťky jako má kovová podstava.

Vysvětlení: Podle Archimédova zákona objem ponořené části tělesa nezávisí na poloze tělesa.

Poznámky: Vysvětlení může mít podobu výpočtu.

4. Paradox 2 z hydrostatiky

Potřeby: skleněný válec, obarvená voda, zkumavka (o málo menšího vnějšího průměru než je vnitřní průměr válce).

Příprava: Do zkumavky nalejeme trochu vody a přelejeme ji do skleněného válce.

Provedení: Do vody ve skleněném válci ponoříme prázdnou zkumavku (obr. 6). Zkumavka paradoxně plove ve vodě menšího objemu, než je její objem.

Vysvětlení: V souladu s Archimédovým zákonem může těleso plovat i v kapalině menšího objemu, než má samo těleso.

Poznámky: Plování zkumavky prokažte opakovaným zamáčknutím a puštěním zkumavky ve válci.