Štyri malé triky hydrodynamiky

Ivan Baník

Príspevok obsahuje niekoľko námetov na jednoduché fyzikálne experimenty, ktoré boli rozpracované a overované študentami prvého ročníka Stavebnej fakulty STU v Bratislave v rámci študenskej práce, pripravenej pre „Študentskú vedeckú konferenciu“.

Hadičkové odstredivé čerpadlo

Vodu možno čerpať do vyšších polôh aj hadičkovým odstredivým čerpadlom, ktorého podstatu vystihuje obr. 1. Ide o tenšiu hadičku dľžky napríklad 2 m, ktorej zvislá časť je svojim spodným koncom ponorená do vody, ktorú budeme čerpať. Hornú časť hadičky otáčame rukou vztýčenou nad hlavu okolo zvislej osi. Odstredivé sily pôsobiace na elementy kvapaliny v tejto rotujúcej časti hadice spôsobujú vznik podtlaku v strednej oblasti hadice, ktorý vyvoláva vystupovanie kvapaliny vo zvislej časti hadice. Čerpaná kvapalina vyteká z rotujúceho konca hadice a je rozstrekovaná do okolia.

Pred spustením čerpadla treba hadičku naplniť vodou, čo urobíme tak, že z hadičky urobíme najprv vodnú násosku. Z tohto stavu prejdeme čo najrýchlejšie do čerpacieho stavu.

Experiment sa dá pri použití tenkej hadičky vykonať aj v triede, lebo pár kvapiek čistej vody nikomu neuškodí. Vo funkcii hadičky možno použiť aj tenkú bužirku. Rotácia čerpacej časti hadičky môže prebiehať buď vo vodorovnej rovine, alebo v rovine zvislej. Experiment s hrubšou hadičkou možno vykonať na školskom dvore, na ihrisku a podobne, resp. s koncovou redukciou výtoku aj v triede.

Námet s hadičkovým čerpadlom je vhodné využiť aj na teoretickú analýzu problému. Spočíva vo výpočte podtlaku, aký vytvára rotujúca voda. Tento podtlak môže vyvolať vystupovanie vody maximálne do výšky 10 m, nakoľko vystupovanie vody nahor je podmienené atmosferickým tlakom. Možno si položiť otázku: Do akej výšky bude čerpadlo schopné čerpať vodu za daných konkrétnych podmienok (ak je daná dľžka rotujúcej časti hadice a frekvencia otáčania)?

Hadičkové čerpadlo môže mať aj miniatúrnu podobu, pri ktorej je hadička kratšia ako 1 m. V takejto situácii je vhodné čerpať vodu z menšej plastovej fľaše, ktorú držíme na úrovni hlavy a časťou hadičky otáčať tesne nad hlavou.

Inerciálne vodné čerpadlo

Ide o neobvyklé vodné čerpadlo znázornené na obr. 2. Jedná sa o hadicu, ktorú v znázornenej podobe držia žiaci a s ktorou vykonávajú periodický kmitavý pohyb v smere vodorovnej časti hadice. Jeden koniec hadice je ponorený vo vode, ktorú chceme čerpať. V zásade to môže byť aj studňa, no pri experimentovaní je vhodnejšie vedierko (a či vanička) položené na zemi. Pred vlastným čerpaním použijeme hadicu najprv ako násosku. Vtedy je vedierko s vodou zdvihnuté do vyššej polohy. V priebehu vytekania vody takou násoskou uzavrieme výtokový koniec hadice prstom. Potom nádobu s vodou položíme na zem a s hadicou začneme vykonávať kmitavé pohyby s amplitúdou asi 0,5 m a periódou okolo 1 s. Pri kmitoch hadice s vodou sa plne prejaví zotrvačnosť vody vo vodorovnej časti hadice. Ak zrýchlenie hadice mieri smerom k nádobe s vodou, zotrvačná sila tlačí vodu k výtokovému otvoru. V tomto mieste sa výrazne zvyšuje tlak a teda aj tlaková sila na prst uzatvárajúci otvor hadice. Tento tlak môže byť dostatočne veľký na to, aby pri vhodnom stálom tlaku prsta voda odtlačila prst a otvorom vystrekovala. Pri experimente možno meniť frekvenciu i amplitúdu kmitov a pozorovať príslušné zmeny.

Mariottova fľaša netradične

Najjednoduchšia verzia Mariottovej fľaše, ktorú si môže ľahko realizovať doma každý žiak, je znázornená na obr. 3. Je to bežná väčšia plastová fľaša, v bočnom plášti ktorej sme predtým urobili dva otvory pomocou noža, či hrotu nožníc a pod. Vlastný otvor fľaše je pritom uzavretý. V znázornenej situácii voda vyteká len dolným otvorom a to stálou výtokovou rýchlosťou až do okamihu, kým hladina vody vo fľaši neklesne na úroveň horného otvoru. V znázornenej situácii horným otvorom vstupuje do fľaše vzduch v podobe bubliniek, ktoré vystupujú nahor smerom ku hladine. Tlak vo vode na úrovni horného otvoru je stále atmosferický. To platí, pravdaže, len kým hladina vody je nad úrovňou horného otvoru.

Výtoková rýchlosť vody dolným otvorom je určená výškovým rozdielom h oboch otvorov a je stála. Ak hladina klesne pod úroveň horného otvoru, bude sa výtoková rýchlosť zmenšovať - bude určená Torricelliho vzťahom a teda hľbkou dolného otvoru meranou od úrovne hladiny.

Hydrodynamický paradox s limo-trubičkami

Hydrodynamický paradox može žiak pozorovať aj sám doma pri spustení limo-trubičkovej násosky podľa obr. 4. Pri pokuse využije sklený pohár a dve tenšie limo-trubičky. Prvú ohne do podoby prevráteného písmena U a jedným koncom ponorí do vody. Do blízkosti vonkajšieho konca tejto trubičky fúka pomocou ďalšej limo-trubičky ústami vzduch. Hydrodynamický podtlak vznikajúci v oblasti konca násosky spôsobí „naštartovanie“ násosky, čo sa prejaví vytekaním vody.

Námety na jednoduché experimenty majú provokovať žiakov a študentov k domácemu experimentovaniu a tým aj k aktívnejšiemu a priaznivejšiemu postoju ku fyzike. Experimenty oživia aj vyučovanie v triede.

Literatúra:

[1] Baník I., Baník R.: Kaleidoskop učiteľa fyziky 1-6, MC mesta Bratislavy, 1992-98, Bratislava