Ponorka, ryba, karteziánsky potápač – ra
z klesajú ku dnu, inokedy stúpajú nahor. Čo určuje ich pohyb?
Videonávod týchto experimentov, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Pomôcky
Plastová fľaša s uzáverom alebo sklená fľaša s gumovou či korkovou zátkou, vrchnák z pera alebo skúmavka (potápač), voda, prípadne aj plastelína
Postup
Plastovú fľašu naplníme vodou a vložíme do nej hore dnom vrchnák z pera alebo skúmavku. Ak treba, doplníme vodu až po okraj fľaše, a pevne ju uzavrieme. Po jej stlačení môžeme pozorovať pohyb potápača nadol. Po uvoľnení fľaše opäť vypláva. Ak ani najsilnejšie stlačenie, ktorého sme schopní, nestačí na to, aby sa potápač potopil, pomôže, keď ho zaťažíme kúskom plastelíny.
Vysvetlenie
Ak chceme odhaliť príčinu pohybu potápača nadol alebo nahor, oplatí sa pozorovať toho vyrobeného zo skúmavky. Všímajme si, čo sa pri stlačení fľaše deje. Potápača netvorí len sklo skúmavky, ale aj vzduchová bublina, ktorá je v nej uväznená. Pri stlačení fľaše sa zvýši tlak v každom jej mieste. A keďže vzduch je dobre stlačiteľný, výsledkom stlačenia je zmenšenie objemu vzduchovej bubliny v skúmavke. Potápač (skúmavka so vzduchovou bublinou) teraz zaberá vo vode menší objem. Žiaden vzduch pritom zo skúmavky neunikol, teda jeho hmotnosť sa nezmenila. To znamená, že sa zvýšila priemerná hustota potápača ako celku. Ak je jeho hustota väčšia ako hustota vody, v ktorej sa nachádza, začne klesať ku dnu.
Ďalšie variácie
Namiesto pružnej PET fľaše s pevným uzáverom môžeme použiť sklenú fľašu s uzáverom, ktorý možno do nej zatláčať – korkovou alebo gumenou zátkou. Nádobka – telo potápača – môže byť z pružného materiálu. Výsledkom stlačenia potom nie je zvýšenie hladiny vody v nádobke, ale deformácia tela potápača.
Vzduchová bublina v potápačovi nemusí byť na prvý pohľad zrejmá. Vyskúšajte, či by mohla byť potápačom obyčajná zápalka. Ak je priemerná hustota zápalky príliš malá, môžete ju zvýšiť pridaním záťaže (napr. plastelíny) alebo jednoducho nechať zápalku nasiaknuť vodou.
Ak použijeme fľašu, ktorá má oválnu alebo obdĺžnikovú podstavu, zatlačením na kratšiu stranu sa v mieste stláčania jej prierez zväčší. Zväčšenie objemu uzavretej fľaše vedie k rozpínaniu sa vzduchovej bublinky. Znamená to, že pri nezmenenej hmotnosti potápač pri stlačení zaberá viac miesta, jeho hustota sa teda zmenšuje. Ak hustota potápača klesne pod hustotu vody, začne stúpať nahor.
Ako to robia ryby?
Zmenu priemernej hustoty svojho tela na riadenie pohybu nahor a nadol dosahu jú ryby pomocou plynového mechúra. Jednoduchý model jeho funkcie môžeme vytvoriť z nádobky so záťažou a balóna. Chce to chvíľu experimentovania, ale pri troche trpezlivosti sa vám určite podarí dosiahnuť, že celá sústava tvorená nádobkou so záťažou a balónom bude plávať tak, že nad hladinu bude vyčnievať len malá časť balóna. Ak sústavu zatlačíme do dostatočnej hĺbky, zostane na dne. Čo sa zmenilo? Zvýšenie hustoty celej sústavy tentoraz zabezpečila samotná voda. Hydrostatická tlaková sila je priamoúmerná hĺbke a od istej hĺbky už jednoducho stláča vzduch v balóne natoľko, že priemerná hustota sústavy je väčšia ako hustota okolitej vody.
doc. PaedDr. Viera Haverlíková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
