Měření rychlosti vzduchu

Zdeněk Polák

Ve svém vystoupení vás chci přesvědčit o dvou věcech. Fyzika je experimentální vědou, a proto by se měl žák při každém setkání s ní vždy účastnit nějakého pokusu. Čím budou jednodušší a čím jich bude víc, tím lépe. Je jen dobře, když demonstraci určitého fyzikálního děje uvidí vícekrát, a ještě lepší, provádí-li ji při opakování sám. Vytvořte si zásobárnu jednoduchých, snadno uskutečnitelných experimentů. Musí to být sestavy typu „vezmu a jdu“. Jednoúčelové věci, které čekají na vás ve skříni, až je budete potřebovat. A za druhé. Když měříte hodnotu nějaké fyzikální veličiny, udělejte to více nezávislými metodami. Přesvědčme žáky, že hodnoty veličin nejsou jen čísla, ke kterým došli více či méně pochopeným postupem. Že k hodně blízkým číslům dojdou i jinou cestou.

Uvedu příklad. Určení objemu hliníkového válečku. V šesté třídě můžeme použít pouze přímou metodu pomocí odměrného válce. V osmé třídě můžeme postup opakovat a navíc vypočítat objem z rozměrů tělesa a pomocí Archimédova zákona. Získáme hodnotu požadované veličiny dokonce třemi způsoby a potřebujeme pouze: těleso vhodného tvaru, odměrný válec, posuvné měřítko a siloměr. Navíc můžeme diskutovat přesnost měření u jednotlivých metod.

Měření velikosti rychlosti vzduchu je dalším příkladem vhodným pro 1. ročník SŠ. Potřebujeme:

1. Fukar ze soupravy Molekulová fyzika, nebo od vzduchové dráhy. V nouzi vystačíme s menším typem vysavače.

2. Skleněnou manometrickou trubici ve tvaru U o výšce cca 30 cm s obarvenou vodou.

3. Ohebnou hadici s aerodynamickou koncovkou např. z dolní části propisovací tužky. Širší konec zasuneme do hadice a zúženým koncem provádíme měření.

4. Lehký vozík pod fukar.

5. Siloměr do 2 N. K němu asi 60 cm dlouhý provázek s háčky ke spojení s vozíkem.

6. Pravoúhlý trojúhelník k měření rozdílu výšek hladin v ramenech manometru.

7. Stojan s držákem pro manometrickou trubici a stojánek pro siloměr (použito závaží 1 kg, ke kterému byl siloměr upevněn gumičkou).

Uspořádání experimentu viz obr. 1. Jedno rameno manometru je volné, druhé je hadicí spojeno s koncovkou vloženou do proudu vzduchu. Náporový tlak zjistíme z rozdílu hladin v ramenech manometru. Z Bernoulliho rovnice vyplývá Δp = 1/2 ρ_k v² a tedy

,

kde Δh je rozdíl hladin v ramenech manometru, ρ_k je hustota vody, g je tíhové zrychlení a ρ_k je hustota vzduchu. Ta závisí na teplotě a na tlaku. Naleznete ji pro konkrétní podmínky v tabulkách (běžné hodnoty jsou mezi 10^-3kg·m^-3 až 1.3·10^-3kg·m^-3). Nezávisle na této metodě lze zjistit rychlost vzduchu pomocí reaktivní tahové síly uvádějící fukar na vozíku do zrychleného pohybu. Sílu určíme siloměrem nebo ze znalosti hmotnosti fukaru s vozíkem, dráhy a doby pohybu. Z rovnosti změny hybnosti vzduchu a impulsu síly na něj působící m·Δv = F·Δt odvodíme se studenty vztah

,

kde F je velikost reaktivní tahové síly a r poloměr výstupního otvoru, kterým je hnán vzduch z fukaru.

Při maximálním výkonu fukaru s průměrem výstupního otvoru 32 mm jsme naměřili rozdíl hladin 12 cm, což odpovídá velikosti rychlosti vzduchu 47 m·s^-1 uprostřed trysky. Tahové síle 1,5 N pak odpovídá průměrná rychlost 41 m·s^-1 v celém průřezu trysky.

Doporučuji následné experimenty:

• Proměřit náporový tlak, a tedy i velikost rychlosti vzduchu v různých místech průřezu výstupního otvoru fukaru.

• Ověřit nezávislost náporového tlaku na průřezu vstupního otvoru (otočit koncovku širším koncem proti proudu vzduchu).

• Nastavit koncovku kolmo k proudu vzduchu a určit vzniklý podtlak (princip fixírky). Opět ověřit nezávislost podtlaku na průměru otvoru.

• Nasadit na výstupní otvor hadici a na šikmém výstupním proudu zavěsit lehký míček z umělé hmoty. Při dostatečně laminárním proudění, malé hmotnosti míčku a jeho přiměřeně velkém průměru lze dosáhnout sklonění trubice i pod 45°.

• Při připojeném siloměru zakryjeme vystupující proud vzduchu rukou nebo ještě lépe hladkou destičkou (učebnicí). Proti očekávání studentů tahová síla prudce poklesne. Při vhodně velké rychlosti vystupujícího vzduchu proti překážce se dokonce fukar k destičce přisaje.

Experimenty vhodné pro zpestření výuky a k diskuzi nad fyzikálními jevy

Setrvačník

Vezměte setrvačník z vyřazeného cívkového magnetofonu. Je dokonale vyvážen na dostatečně dlouhé hřídelce, jejíž průměr bývá od 4 mm do 6 mm. Na jedné straně přesahuje jen několik milimetrů a je zde osazení pro hnací řemínek. Na druhou stranu několik centimetrů dlouhou nasuňte dvě ložiska. Takto osazenou hřídel vsuňte do trubičky vhodného průměru, kterou při pokusu volně vložíte do gumičky na provázku. Na osazení naviňte několik závitů tenkého provázku a roztočte. Setrvačník visící v závěsu udržuje vodorovnou osu a koná pomalý precesní pohyb. Jestliže torzí závěsu urychlujeme tento pohyb, hřídel se naklání vzhůru, při brzdění se naklání dolů.

Obrácený karteziánek

Do plastové průhledné lahve připravíme klasický karteziánek. Používám malou zkumavku, na které je volně navléknuta spirálka z několika závitů silného měděného drátu tak, aby při zcela vzduchem zaplněné zkumavce vykukovala nad hladinu jen několik milimetrů. Pak přidáme navíc takový přívažek, aby se karteziánek potopil. Lahev je otevřená a zkumavka je u dna. Následuje diskuze, jak docílit vystoupání zkumavky k hladině. Pak lahev mírně zmáčkneme a zašroubujeme uzávěr. Při uvolnění lahve vznikne podtlak, objem vzduchu ve zkumavce se zvětší a zkumavka stoupá k hladině. Lahev je uzavřená a zkumavka je nahoře.

Levitující železo

Vezměte kruhový plochý feritový magnet s otvorem uprostřed. Nejvhodnější typ je z basového reproduktoru. Použitelný je i z magnetronu z mikrovlnky. Středový otvor vyplňte korkem. Do něho zapíchněte měděný drát. Na drát volně navlékněte trubičku z měkkého železa. Její délku určete pokusně. Mně vyhovovala cca 3 cm. Dolní konec trubičky se vznáší nad rovinou magnetu několik milimetrů až centimetr. Viz obr. 2.

Reaktivní pohyb, adiabatický děj

Uzávěr plastové lahve vybavíme vyústěním z veloduše staršího typu, do kterého se ventilek pouze vkládá a zajišťuje kroužkem se závitem. Při natlakování pumpičkou se láhev zahřeje – adiabatické stlačení. Pak jednou rukou uchopíme láhev za uzávěr a přitlačíme ventilkem na desku stolu, druhou rukou odšroubujeme zajišťující kroužek. Pak pustíme z ruky uzávěr. Stlačený vzduch vyfoukne ventilek a reaktivní silou vynese láhev několik metrů vysoko. Při dopadu na zem je láhev chladná – adiabatické ochlazení.

A pár nápadů nakonec

• Potřebujete vozík, který hodně uveze, má malé tření a nic nestojí? Vezměte dva páry kuličkových ložisek z nějakého vyřazeného zařízení (elektromotorků, tiskáren, zapisovačů apod.). Páry nemusí být shodné. Navlékněte na hřídelku. Postačí silný drát nebo uříznutý hřebík. Zajistěte jakkoli, osovost nehraje roli. Hřídelky gumičkou připevněte k prkénku a je hotovo.

• Potřebujete kovovou trubičku? Poslouží vyřazený mrazák. Z chladiče získáte cca 2 m železné a asi metr měděné trubičky. Navíc dvířka mají po celém obvodu magnetické těsnění ideální pro připevňování papírů na magnetickou tabuli. A kdo je šikovný, použije i kompresor.

• Potřebujete silné magnety? Ptejte se po vyřazených reproduktorech z rádií a televizí, sluchátek, zničených harddiscích z počítačů, magnetronů z mikrovlnek apod.