Detský balónik a fyzika

Ľudmila Onderová

V príspevku je prezentovaný súbor 16 jednoduchých pokusov z rôznych oblastí fyziky, pri ktorých sa využíva detský gumený balónik.

Úvod

Experimentálna zložka činnosti učiteľa a žiakov je vo vyučovaní fyziky veľmi dôležitá, čo potvrdzujú mnohé publikácie z didaktiky fyziky či psychológie. Práve prostredníctvom experimentov nadobúdajú vedomosti žiakov neformálny charakter, žiaci si lepšie prekladajú poznatky do svojho vnútorného jazy­ka. Fyzikálnym experimentom učíme žiaka najbezprostrednejším spôsobom, nie cez slovné zvra­ty a matematické formulácie. Fyzikálny experiment predstavuje význam­nú formu názornosti. V dnešnej dobe nám však nejde len o ná­zornosť ilustratívnu, ale je potrebná názornosť vyššieho stupňa - názornosť operatívna. Túto požiadavku spĺňa jednoduchý experiment. Takýto experiment žiak môže realizovať aj samostatne, prípadne si ho doma viackrát zopakovať a pokojne sa zamyslieť nad jeho priebehom. Žiak si pritom bezprostredne overuje užitočnosť osvojovaných fyzikálnych poznatkov a je nútený samostatne a tvorivo uplatňovať svoje vedomosti nadobudnuté pri vyučovaní fyziky. Príkladom spomenutých pokusov, môžu byť nasledujúce pokusy, ktoré využívajú jednoduchú pomôcku - detský balónik.

1 Teplý a studený vzduch

Na hrdlo fľaše dobre upevníme balón. Takto upravenú fľašu vložíme najmenej na pol dňa do mrazničky. Po vybratí z mrazničky ponoríme studenú fľašu do umývadla resp. nádoby naplnenej teplou vodou. Balón na fľaši sa mierne nafúkne. Po vložení do mrazničky sa znížením teploty zníži aj objem plynu, vzduch vo vnútri fľaše teda zaberá menej miesta ako za normálnych podmienok. Po ponorení do teplej vody nastane jav opačný - zvýšenie teploty vzduchu sa prejaví jeho rozpínaním. Balón sa čiastočne nafúkne. Pokus môžeme realizovať aj tak, že mierne nafúknutý balónik natiahneme na hrdlo umelohmotnej fľaše s malým otvorom. Fľašu vložíme do nádoby, do ktorej nalejeme horúcu vodu a pozorujeme nafúknutie balónika. Keď vložíme fľašu do nádoby s rozdrveným ľadom, balónik spľasne.

2 Balón fakír

Nafúkame podlhovastý balón. Potom tenkou ihlicou vnikneme do balóna jedným z jeho vrcholov. Balón nepraskne, navyše po vytiahnutí ihlice z balóna vzduch ihneď nevyfučí. Ak pichneme ihlicu do iného miesta, balón praskne a unikajúci vzduch vyvolá "výbuch". Trik využíva dve fyzikálne vlastnosti: pružnosť gumy a tlak vo vnútri telesa s podlhovastým tvarom. Ak má byť pokus úspešný, musí ihlica vniknúť do balóna jedným z jeho vrcholov, kde je povrch balóna menej napnutý. Pružnosť gumy zase spôsobí, že keď ihlica pomaly vnikne do balóna a prepichne gumovú blanu, táto sa okamžite uzatvorí okolo ihlice a zabráni unikaniu vzduchu z balóna. (Je výhodné namočiť pred pokusom ihlicu do saponátu.)

3 Kúzlo s balónikom

Pokus je variáciou pokusu s vajíčkom a fľašou od mlieka. Namiesto vajíčka použijeme vodou naplnený balónik. Zmenou množstva vody dosiahneme vhodnú veľkosť pre každý otvor nádoby. Na  hrdlo balónika pripevníme niť. Na dno fľaše nalejeme malé množstvo vriacej vody. Umiestnime balón vzduchotesne na hrdlo fľaše. Potom umiestnime fľašu do nádoby so studenou vodou, aby sa ochladila, prípadne ju len necháme voľne chladnúť. Znižovaním teploty dochádza ku kondenzácii vodných pár vo vnútri fľaše a tým aj k poklesu tlaku v jej vnútri a tak je balónik pomaly vtlačený vonkajším vyšším atmosferickým tlakom do fľaše. (V porovnaní s vajíčkom a horiacim papierom vo fľaši prebieha experiment trochu pomalšie, ale študenti tak majú viacej času na pozorovanie a vysvetlenie toho, čo sa deje. Pomocou nite ľahko vyberieme balónik z fľaše po skončení experimentu.) [1]

4 Aerostatická vztlaková sila alebo: je oxid uhličitý ľahší ako vzduch?

Najprv balónik niekoľkokrát nafúk­neme, aby sa roztiahol. Potom do  banky nalejeme  malé množstvo octu. Do balónika nasypeme sódu bicarbónu, prevlečieme ho cez hrdlo banky a tesne upevníme pomocou nite alebo gumičiek. Dbáme na to, aby sa látky nezmiešali. Balónik s bankou položíme na misku laboratórnych váh, váhy vyvážime a potom zaaretujeme. Zdvihneme balónik, aby sa sóda presypala do octu v banke. Bankou potrasieme, aby sa ocot so sódou premiešali. Počkáme kým ustane búrlivé kypenie v banke a váhy pomaly odaretujeme. Rovnováha sa poruší, miska s bankou a nafúknutým balónikom sa zdvihne, akoby balónik bol naplnený plynom ľahším ako vzduch. Na misku pôsobí menšia sila ako predtým. V dôsledku chemickej reakcie, ktorá nastane po zmiešaní octu so sódou sa vytvára oxid uhličitý, ktorý spôsobí nafúknutie balónika. Pretože sa zväčšil objem balónika, zväčšila sa aj aerostatická vztlaková sila, ktorá naň pôsobí. Celková hmotnosť banky s balónikom sa však nezmenila. Vztlaková sila smeruje zvisle nahor a preto na misku váh s bankou a nafúknutým balónikom pôsobí zvisle dolu menšia sila ako predtým. (Rovnako dobre funguje aj horúca voda a prášok do pečiva.)

5 Balónik a výveva

Pod zvon vývevy umiestnime mierne nafúknutý balónik. Po spustení vývevy pozorujeme zväčšovanie objemu balónika. Keď odsávame vzduch, zmenšujeme tlak vzduchu okolo balóna. V dôsledku toho je potom tlak vzduchu v balóne vyšší ako okolitý tlak a balón sa nafúkne. Vzduch sa v balóne rozpína, snaží sa zaujať, čo najväčší priestor. (Pokus môžeme realizovať aj tak, že  balónik vložíme do sklenenej nádoby, ktorá sa dá hermeticky uzavrieť. Cez utesnenú dierku vo viečku prepichneme slamku. Keď budeme cez slamku odsávať vzduch, balón sa nafúkne. Je výhodné na odsávanie využiť vodnú vývevu, ktorá sa na rozdiel od rotačnej vývevy nachádza v mnohých fyzikálnych kabinetoch.)

6 Môže balónik zdvihnúť pohár?

Umiestnime balónik do vnútra skleneného pohára. Pomaly balónik nafúkneme. Držíme balónik za hrdlo a dvíhame pohár. Nafúknutý balónik vzduchotesne priľne k stene pohára. Výsledná trecia sila, je v dôsledku zvýšeného tlaku väčšia ako smerom nadol pôsobiaca sila tiažová a preto sa pohár z balónika nezošmykne. [1]

7 Vznášadlo z balóna

Do stredu vrchnáka z umelohmotnej fľaše urobíme kruhový otvor s priemerom asi 3 mm. Takto upravený vrchnák prilepíme do stredu CD. Na vrchnák navlečieme balónik. Cez malý otvor nafúkneme balónik, položíme CD na rovný povrch a sledujeme, že takto vytvorené vznášadlo sa bude pohybovať po podložke takmer bez trenia. Vzduch unikajúci cez 3 mm otvor vytvára pod CD úzky vzduchový vankúš, teda vznášadlo sa nepohybuje po podložke, ale tesne nad ňou. Týmto postupom sme zmenšili trenie medzi CD a podložkou.

8 Archimedov zákon pre plyny

Z drevených špajdlí si zostavíme improvizované rovnoramenné váhy. Na jeden koniec vahadla upevníme pomocou nite nafúkaný balónik. Na druhom konci vahadla ho vyvážime posúvaním kancelárskej sponky alebo matičky. Balónik zasunieme do kadičky prípadne zrezanej umelohmotnej fľaše tak, aby sa nachádzal nad dnom, ale nedotýkal sa dna ani steny nádoby. Na sifónovú fľašu bez vody naplnenú len CO₂ nasadíme hadicu, ktorej druhý koniec popri stene nádoby zasunieme takmer ku dnu. Postupne do kadičky vpúšťame CO₂. Pozorujeme, že balónik sa posunie nahor a pôvodná rovnováha sa poruší. Hustota plynu v kadičke sa zväčšila, pretože CO₂ má  väčšiu hustotu ako vzduch, ktorý bol z kadičky vytlačený, Vztlaková sila pôsobiaca na balónik sa zväčšila a rovnováha sa preto porušila. [2]

9 Závody balónikov

Najprv si pripravíme dráhu, po ktorej sa budú balóniky pohybovať, napnutím povrázku alebo rybárskeho silonu. Predtým ešte na dráhu navlečieme krúžky na záclony. Na tieto krúžky pomocou lepiacej pásky (napr. kobercovej) pripevníme nafúknuté a na konci štipcom uzavreté balóniky. Každý uchytíme pomocou dvoch krúžkov pri krajoch. Po uvoľnení  štipca pozorujeme rýchly pohyb balónika po povrázkovej dráhe. Pohyb balónika demonštruje zákon akcie a reakcie, je reakciou na vzduch prudko unikajúci z balónika.

10 Balóniky a elektrostatika

Nafúkame balóniky. Ak pošúchame balóniky o oblečenie, budú priťahovať drobné papieriky alebo vlasy na hlave, dokonca sa nám podarí „prilepiť“ ich na stenu. Ak pripevníme dva šúchaním zelektrizované balóniky na asi meter dlhý povrázok, ktorý držíme v strede pozorujeme, že balóniky sa budú odpudzovať, keď medzi ne vložíme druhú ruku balóniky sa k nej priblížia.  Šúchaním balónov o oblečenie ich zelektrizujeme. Pozorované javy sú založené na existencii dvoch typov náboja, kladného a záporného. Rovnaké náboje sa odpudzujú, rozdielne sa priťahujú.

11 Zviditeľnenie zvuku

Z plechovky odstránime dno a veko. Týmto spôsobom dostaneme dutý kovový valec bez podstáv. Na jeden koniec natiahneme blanu z balónika a upevníme ju pomocou gumičky. Pomocou sekundového lepidla prilepíme do stredu blany malé zrkadielko, prípadne kúsok CD disku. Namierime laserový lúč  na zrkadlo tak, aby sme jeho odraz videli na vzdialenejšej stene. Začneme rozprávať alebo spievať do plechovky a pozorujeme pohyb laserovej stopy po stene. Pri rozprávaní alebo spievaní rozkmitáme blanu na druhom konci plechovky. Tým rozkmitáme aj zrkadielko a keďže svetlo sa riadi zákonom odrazu, ak sa mení poloha zrkadielka, tak sa mení aj poloha svetelnej stopy na stene odrazenej od tohto zrkadielka. (Ak pripevníme zrkadielko na stred reproduktora pripojeného k rozhlasovému prijímaču, laserový lúč bude vytvárať na stene v rytme hudby či hlasu rozmanité obrazce a tvary.) [3]

12 Balónik v prúdiacom vzduchu

Nafúknutý balónik zaviažeme na konci pevnou niťou, ktorej necháme dlhší koniec. Na koniec nite zavesíme vhodnú záťaž napr. matičku. Zapneme vysávač a prúd vzduchu namierime asi pod uhlom 45°. Balónik umiestnime do prúdu vzduchu tak, aby bol v rovnovážnej polohe. Prúd vzduchu vytvára vztlakové sily, ktoré vyrovnávajú ostatné sily pôsobiace na balónik (vertikálnu tiažovú silu, horizontálnu odporovú silu vznikajúcu v dôsledku prúdenia vzduchu). Balónik je v rovnováhe.

13 Balónik, ktorý nechce zhorieť

Do tmavo sfarbeného balónika nalejeme (tajne) trochu vody. Balónik mierne nafúkame a zaviažeme. Balónik opatrne zahrievame nad sviečkou alebo liehovým kahanom v mieste, kde sa nachádza voda. Napriek očakávaniu, balónik sa ihneď neprepáli. Voda, ktorá má veľkú hmotnostnú tepelnú kapacitu tu plní úlohu chladiča a spôsobí, že balónik sa ihneď neprepáli.

14 Hlasy z neznáma

Veľký balón naplníme CO₂. Ak upevníme balón na strop, bude dobre visieť, vzhľadom na to, že hustota CO₂ je väčšia ako hustota vzduchu. Ak pred balónom vyslovíme ticho niekoľko slov, osoba umiestnená vo vhodnej vzdialenosti za balónom, ich bude veľmi dobre počuť. Balón funguje pre zvuk ako šošovka. Osoba sa musí nachádzať v jej ohnisku.

15 Nafukovanie balóna

Dve umelohmotné fľaše spojíme hadičkou blízko ich dna. Fľaše naplníme asi do polovice vodou. Hladina vody sa ustáli v rovnakej výške. Hrdlo jednej z fliaš necháme otvorené a na hrdlo druhej natiahneme balónik. Nadvihneme fľašu bez uzáveru a pozorujeme, že balónik sa začne nafukovať. Pri prelievaní vody z fľaše, ktorá je vyššie položená do druhej fľaše táto voda vytláča z fľaše vzduch, ktorý je vtláčaný do balónika a ten sa nafukuje. (Pokiaľ by sme mali dostatočne pevné fľaše mohli by sme demonštrovať aj opačný efekt – vyfukovanie balónika v prípade, že položíme fľašu s otvoreným hrdlom nižšie). [7]

16 Kúzelná fľaša

Urobíme dierku (o priemere 2 – 3 mm) blízko dna prázdnej dostatočne pevnej plastovej fľaše. Vložíme balónik do vnútra tejto fľaše a upevníme jeho koniec okolo hrdla fľaše. Fúkaním do balónika ho nafúkneme a potom prelepíme dierku priesvitnou páskou. Hoci má balónik otvorený koniec, balónik nesfúkne. Ak do vnútra balónika vo fľaši vložíme malú ceruzku, táto, po odstránení lepiacej pásky z dierky, vyskočí v dôsledku náhleho sfúknutia balónika. Príčinou popísaného správania sa fľaše s balónikom je rozdiel tlakov vzduchu zvonka a zvnútra balónika. S takto upravenou fľašou môžeme urobiť aj ďalšie experimenty, ktoré umožnia študentom lepšie pochopiť javy súvisiace s tlakom vzduchu, napr.: prikryjeme dierku na fľaši prstom a spýtame sa študentov, či je možné nafúknuť balónik vnútri fľaše. Potom sa ich spýtame, či je možné nafúknuť balónik ináč ako fúkaním do jeho otvoreného konca. Ak máme dostatočne pevnú fľašu, tak po priložení otvoru pri dne k ústam a vysatí vzduchu balónik nafúkneme. Môžeme tiež ukázať, že táto pomôcka funguje ako jednoduchá vákuová pumpa. Opäť fúkaním nafúkneme balónik, prekryjeme dierku prstom a ponoríme fľašu do nádoby s vodou tak, že hrdlo fľaše je nad hladinou vody a dierka pod ňou. Ak dierku odkryjeme balón začne sfukovať a voda začne zapĺňať fľašu, Hladina vody vo fľaši bude pritom vyššia ako v okolitej nádobe, čo potvrdzuje, že po nafúknutí balónika je vo vnútri fľaše nižší tlak ako tlak atmosferický. [4]

Záver

Verím, že príspevok bude inšpiráciou pre učiteľov fyziky, ktorí nájdu ďalšie zaujímavé pokusy využívajúce túto jednoduchú pomôcku. Ak poskytneme žiakom prostredníctvom aktívneho poznávania možnosť realizovať vlastné objavy, samostatne nachádzať fyzikálne zdôvodnenia či vysvetlenia pozorovaných javov postupne sa prestanú fyziky báť.

Literatúra

[1] Physics on Stage 3, Demonstrations and teaching ideas selected by the Irish team, Department of Experimental Physics, University College Dublin, 2004.

[2] Svoboda, E.: Pokusy z fyziky s jednoduchými pomůckami. Prometheus Praha, 1995.

[3] Kupka, Z., Hála, J.: Pokusy s laserem. Prometheus Praha, 1996.

[4] Shamsipour,G.: Simple experiments for teaching air pressure. In: The Physics Teacher, Volume 44, No. 6, 2006, pg. 576 – 577.

[5] Onderová, Ľ.: Netradičné experimenty vo vyučovaní fyziky, MC Prešov, 2002.

[6] http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/

[7] http://www.infovek.sk/predmety/fyzika/pokusy/fyzika.htm

Pozn. editora: Graficky upraveno 22. 9. 2008.