Injekční stříkačka ve fyzice

Jan Dirlbeck

Proč injekční stříkačka? Učím na škole, kde žákyně a poslední dobou i někteří žáci odcházejí na zdravotnickou školu a jako důvod uvádějí, že se vyhnou matematice a fyzice. Také pokud položí otázku, pak zní: Proč se máme učit fyziku? K čemu nám to v životě bude? Podobně se ptají žáci, kteří odcházejí do učebních oborů kuchař, cukrář.

Rozhodl jsem se jim to trošku přiblížit. Jako zdravotní sestry se budou s hydro a aeromechanikou často setkávat. Stejně jako s mechanikou (páka, těžiště) při manipulaci s pacienty. Podobně i cukráři a kuchaři. Jak na dortu udělat pravidelné ozdoby pomocí stříkačky? Platí i zde Pascalův zákon? Z termiky pak látky vodivé a nevodivé, var za zvýšeného nebo sníženého tlaku apod.

Někteří žáci pak sami vymýšleli nové pokusy, např. model hydraulických brzd, listovní váhy, lis a při probírání akustiky píšťalu.

1. Stlačitelnost, rozpínavost a pružnost plynů

Pomůcky: Injekční stříkačka.

Provedení: Při probírání vlastností plynů. Žáci dostanou stříkačku a provedou pozorování podle návodu učitele.

1. Po uzavření dolního konce stříkačky prstem, působí na píst silou, vzduch se stlačuje. Po uvolnění pístu se píst posune působením vzduchu na píst. Pokusíme se se žáky odvodit, že pokud je vzduch stlačitelný a rozpínavý je také pružný.

Využití v praxi: Plnění míčů a pneumatik vzduchem.

2. Stejný pokus můžeme zopakovat jen s jiným koncem zadání – žáci se mají pokusit stlačit píst až na konec stříkačky. Můžeme položit otázku: Proč nelze píst stlačit až na dno? Odpověď : Mezi pístem a dnem je stlačený vzduch.

Poznámka: Žákům zatím dělá problémy rozlišení látky a tělesa.

2. Užití Pascalova zákona – model hydraulického zařízení

Pomůcky: Injekční stříkačky různých průměrů, hadička na spojení (případně lepidlo na nerozebiratelné spojení), event. další pomůcky podle zvolené modifikace základního pokusu.

Využití:

a) Žáci se sami přesvědčí jakou sílu musí vyvinout při působení na malý a na velký píst. K tomu je vhodné použít stříkačky s velkým rozdílem průměrů např. 2 ml a 20 ml.

b) Úpravou tohoto pokusu můžeme ukázat použití hydraulického zařízení jako zvedáku. Opět si žáci sami mohou udělat představu o velikosti působící síly, která zvedá těleso. Jako zátěž se mohou využít závaží ze sady pro vážení.

Po provedení pokusu s modelem hydraulického zvedáku můžeme žákům zadat i početní příklad. Pro schopnější žáky i s výpočtem plochy pístu. Znají objem stříkačky, např. 20 ml, změří si výšku válce a vypočtou plochu pístu. Při měření je třeba kontroly, zda měří výšku objemu válce 20 ml, neboť píst se může zvednout více. Zatížení , které zvedají je 500 g. Jak velký tlak je pod pístem? Pro slabší žáky zadáme plochu pístu (pro 20 ml je plocha 3,125 cm²).

S = 3,125 cm²

F = 5 N

p = x Pa

p = F / S

p = 5/0,003125 Pa = 16 000 Pa = 16 kPa

Je možné pokračovat další úlohou: Jak velkou silou působí prst na malý píst při zvedání tohoto tělesa? (5 ml plocha pístu 1,136 cm²)

F = p∙S

F = 16000∙0,0001136 N = 1,8 N

c) Jinou úpravou stejného pokusu předvedeme funkci hydraulického lisu. Opět si žáci sami provedou a zjistí, jak působením malé síly je možné vyvolat sílu, která deformuje tělesa. K deformaci je možné použít modelínu, ale efektnější je použití plechových obalů od limonád.

d) Další úpravou s použitím tří stříkaček je možné připravit demonstraci automobilových brzd. Tak žáci získají představu, že Pascalův zákon není jen poučka, ale má uplatnění v každodenním životě.

e) Další možností, jak využít tuto pomůcku, je vytvoření problémové úlohy, kdy změníme průměry stříkaček. Otázky pro žáky: Který píst bude přetlačen? Je tlak všude stejný? Je síla na pístech stejná?

3. Plování těles v kapalině – působení vztlakové a gravitační síly na těleso

Pomůcky: Injekční stříkačka, hadička, gumička či drátek, kapaliny rozdílné hustoty (např. voda, olej, líh, med) je vhodné obarvit, vysoká nádoba (plastová láhev).

Užití: Plování, vznášení se, klesání těles v kapalině. Žákům se ukáže, že mnohé kapaliny se nemísí a díky různým hustotám se dají oddělit. Můžeme upozornit na praxi, např. odstranění ropných látek z vody.

4. Přetlak a podtlak plynu v uzavřené nádobě

Pomůcky: Injekční stříkačka, plastická trubička, karton, kancelářské sponky kovové, obarvená kapalina.

Užití: Stlačením pístu se vytvoří přetlak plynu a poruší se rovnovážná hladina kapaliny v ramenech. Z rozdílu hladin pak můžeme vypočítat přetlak plynu v uzavřené nádobě. Opačným působením na píst vytvoříme podtlak a opět žáci mohou určit o kolik je tlak ve stříkačce menší než tlak atmosférický. Jako příklad z praxe se může uvést odběr krve u lékaře.

5. Var kapaliny za sníženého tlaku

Pomůcky: Injekční stříkačka, voda o teplotě 65°–55° C.

Užití: Velmi jednoduchá demonstrace varu vody za sníženého tlaku, kterou si žáci sami provedou a tak se přesvědčí, že voda vaří, tedy přeměňuje se na páru v celém svém objemu i za sníženého tlaku. Ten dosáhnou uzavřením dolního konce stříkačky a povytažením pístu.

6. Princip tepelného motoru – převod tepelné energie na práci

Pomůcky: Injekční stříkačka, plastová trubička, závaží (1 kg), varná baňka, voda, kahan.

Užití: Princip tepelného motoru. Zahříváním vody vzniká pára. Zvětšuje se objem páry a tlak působící na plochu pístu vyvolá sílu F. Ta působí po dráze s a zvedá závaží. Pokus se může využít i pro výpočet práce W. Hmotnost 1 kg byla posunuta po dráze, kterou změříme.

7. Hudební nástroj – píšťala

Pomůcky: Injekční stříkačka, dřevěná kulatina.

Užití: V akustice. Kmitání vzduchového sloupce. Změnou délky dochází ke změně tónu. Délka sloupce se mění posouváním pístu.

8. Model „Listovní váhy“

Pomůcky: Injekční stříkačka, kádinka s vodou.

Užití: Při probírání Archimédova zákona si žáci mohou připravit tento pokus a třídě ukázat využití vztlakové síly při měření malých hmotností.