Môže bežný človek zažiť beztiažový stav? Pri voľnom páde z malej výšky si ho ani nestihneme uvedomiť. A pri skoku z veľkej výšky nám zážitok kazí odpor vzduchu, ktorý nás brzdí a pád prestáva byť voľný. Keďže si tento stav nevieme ukázať na sebe, ukážeme si ho na vode.
Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na webovej stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Pomôcky
Pollitrová PET fľaša, voda, drôt, sviečka, zápalky
Postup
Do PET fľaše si pomocou nahriateho drôtu urobíme tri otvory. Fľašu naplníme vodou a necháme ju voľne cez otvory vytekať.
Realizácia
Fľašu pustíme voľným pádom a pozorujeme.
Pozorovanie
Na začiatku si môžeme všimnúť, ako voda vyteká z otvorov. Čím je otvor nižšie, tým prúd z fľaše vystrekuje rýchlejšie, a teda doletí ďalej. Keď však fľašu pustíme voľným pádom, voda prestane vytekať zo všetkých otvorov bez rozdielu.
Vysvetlenie
Kvapalina má sama osebe určitú hmotnosť, čo zapríčiňuje, že kvapalina, ktorá je hore, tlačí na tú pod sebou – hovoríme o tzv. hydrostatickom tlaku. Ten narastá priamoúmerne s hĺbkou kvapaliny. Z otvoru, ktorý je hlbšie pod hladinou, preto voda vyteká pri tom istom priereze väčšou rýchlosťou ako z otvoru, ktorý je k hladine bližšie a kde je menší hydrostatický tlak.
Hydrostatický tlak je priamoúmerný výške hladiny, hustote kvapaliny a gravitačnému zrýchleniu. Keď fľaša začne padať voľným pádom a jej zrýchlenie sa rovná gravitačnému zrýchleniu, je v beztiažovom stave. To znamená, že zrýchlenia sa vyrovnali, a preto je hydrostatický tlak v celom objeme kvapaliny nulový a voda prestane vytekať zo všetkých otvorov.
V gravitačnom poli akejkoľvek planéty voda prevezme tvar nádoby, v ktorej sa nachádza. V beztiažovom stave má však voda tvar gule. Ten by mala aj pri dostatočne dlhom voľnom páde.
Veda
Skutočnosť, že nevieme rozlíšiť, či sme v beztiažovom stave, alebo len zrýchľujeme rovnako, ako na nás pôsobí gravitačné zrýchlenie, teda sme vo voľnom páde, viedlo Alberta Einsteina k myšlienke, že gravitácia je iba prejav zrýchlenia. A. Einstein sformuloval princíp ekvivalencie, ktorý hovorí, že gravitácia je neodlíšiteľná od zotrvačnej sily pri zrýchlení. Na tom postavil svoju formuláciu zakriveného časopriestoru aj všeobecnú teóriu relativity.
Myšlienkový experiment
Stojíme vo výťahu, ktorý sa s nami odtrhne a padá voľným pádom nadol. Dá sa pred prudkým dopadom ochrániť tak, že sa tesne pred ním odrazíme od podlahy výťahu smerom nahor?
Ak výťah padá voľným pádom bez odporu vzduchu napríklad dve sekundy, tak má pri dopade rýchlosť 19,62 m/s, čo je približne 70 km/h. Jeho počiatočná výška bola približne 20 m.
Aby sme túto rýchlosť vyrovnali, museli by sme sa odraziť rovnakou rýchlosťou smerom hore. Ato navyše naozaj tesne pred dopadom, čo je v uzavretom výťahu veľmi ťažké odhadnúť. Pri rovnakej odrazovej rýchlosti smerom hore by sme mali mať schopnosť vyskočiť do výšky, z ktorej sme pôvodne padali. Bežný človek nedokáže vyskočiť 20 m. V takomto skoku by nám zabránil strop výťahu, ktorý sa k nám približuje dvojnásobnou rýchlosťou.
Realita
V reálnom páde výťahu vstupuje do našich úvah veľmi veľa iných vplyvov. Napríklad laná výťahu sa bežne netrhajú a výťahy majú bezpečnostné brzdy, ktoré by výťah zastavili po niekoľkých centimetroch pádu. Výťah nepadá voľným pádom, ale odpor mu okrem vzduchu kladú aj steny výťahu a iné úchyty, ktorými je istený. Takže pri reálnom páde výťahu by sme nikdy neboli v beztiažovom stave.
PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
