Mechanické vlastnosti kapalin a plynů demonstrované pomocí improvizovaných prostředků – plastových láhví

Věra Novobilská

1. Ověření Pascalova zákona

Potřeby: plastová láhev (1,5 l průhledná) s uzávěrem, opatřená otvory

Příprava a provedení: V horní části láhve vytvoříme horkým hřebíkem o průměru cca 2 mm dvě řady otvorů. Láhev nejprve naplníme vodou pod otvory, potom ji uzavře­me a překlopíme. Po mírném zmáčknutí stěn láhve vystřikuje voda do všech směrů.

Vysvětlení: Pascalův zákon.

2. Stlačitelnost vzduchu

Potřeby: plastová průhledná láhev 1,5 l, gumová zátka, skleněná trubička

Příprava a provedení: V gumové zátce vyvrtáme otvor korkovrtem o vhodném průměru, aby skleněná trubička, o něco delší než je výš­ka láhve, nahoře v plameni zúžená a ota­vená, v otvoru dobře těsnila. Trubičkou ponořenou pod hladinu vody nafoukáme do láhve vzduch. Když přestaneme fou­kat, začne voda tryskat z láhve v podobě fontány.

Vysvětlení: Stlačený vzduch působí zvýšeným tlakem na hla­dinu a vtlačí vodu do trubice.

 3. Ověření stavu beztíže

Potřeby: viz pokus č. 2

Příprava a provedení: Navazuje na pokus č. 2 – v okamžiku, kdy v předchozím pokusu voda právě přestane stříkat, necháme láhev volně padat. Během pádu pozorujeme opět tryskající fontánu. (Pokus je třeba provádět velmi opatrně, aby se skleněná trubička nezlomila.)

Vysvětlení: Rovnováha tlaku vzduchu uzavřeného v láhvi a hydrostatického tlaku vo­dy je při volném pádu narušena. Hydrostatický tlak je roven nule, a proto vzduch vtlačí vodu do trubice.

4. Závislost hydrostatického tlaku na hloubce

Potřeby: plastová láhev (průhledná, 1,5 l), stojan (nejlépe s regulovatelnou výškou na způsob heveru), nálevka, fotomiska, větší nádoba (další plastová láhev)

Příprava a provedení: Do láhve vypálíme otvory horkým kovovým předmětem tak, aby jejich vzájemné vzdálenosti byly stejné a aby otvory ležely v přímce nad sebou. Lá­hev vyvýšíme a vodu necháme stříkat do fotomisky. Pozorujeme, jak s rostoucí hloubkou roste délka dostřiku.

Vysvětlení:

5. Pascalova kouzelná fontána

Potřeby: 2 plastové láhve, 2 gumové zátky, 5 skleněných trubiček (3 ´ asi 10 cm – jednu z nich na konci zúžit do trysky, 2 ´ asi 30 cm, skleněná nálevka, gumová hadička (celková délka asi 1,5 m) na spojování skleněných tru­bic, dva stojany s úchytnými držáky, jeden stojan s mě­nitelnou výškou (hever), kádinka.

Příprava a provedení: vodou naplněná láhev s tryskou musí být umístěna aspoň o 20 cm výše než druhá láhev s ná­levkou. Vyšší láhev je naplněna těsně pod ústí spojovací trubice. Po důkladném přezkoušení těsnosti všech spojů začneme do nálevky nalévat vodu tak dlouho, až je asi z poloviny naplněna. Z dýzy vytryskne pramen vody, kterou necháme vtékat do ná­levky spodní nádoby. Při dokonalém těsnění všech spojů jsou množství vody vteklé a vyteklé z nálevky stejná a hladina vody v nálevce se proto nemění. Tento děj pro­bíhá tak dlouho, dokud se nevyprázdní horní láhev. Při vnitřním průměru trysky kolem 1 mm bude voda tryskat asi 12 minut.

Vysvětlení: stoupající hladina vody v pravé nádobě zvyšuje tlak vzduchu v pravé, a tím i v propojené levé láhvi. To má za následek vtlačování vody do trubice v levé láhvi a vznik fontány.

6. Přeměna vody na víno

Potřeby: dvě pevnější plastové láhve (od octa), 1 uzávěr, 1 gumová zátka, 1 skleněná trubička rovná, 1 skleněná trubička třikrát ohnutá do pravého úhlu, 1 skleněná tru­bička krátká, 1 skleněná trubička dlouhá, skleněná nálevka (stejné tloušťky jako tru­bičky), 2 stejné menší kádinky, gumová hadička

Příprava a provedení: Provrtanou gumovou zátku pevně nasadíme na skleněnou trubič­ku, která zasahuje téměř ke dnu láhve a na horní část nasadíme pomocí vhodné ha­dičky nálevku. Do obou láhví vypálíme ve stejné výši stejně velké kruhové otvory (korkovrtem) a těsně vtlačíme gumové hadičky, které navzájem propojíme skleně­nou trubičkou. Provedení pokusu je patrné z obrázku. Celý úspěch tkví v doko­nalém těsnění všech spojů. Druhou láhev (s výpustí) naplníme až těsně pod horní přítokový otvor obarvenou vodou („vínem“) a uzavřeme uzávěrem. Vše šikovně ukryjeme kartonem, aby byla vidět pouze nálevka a výtoková trubice. Když nyní nalejeme do nálevky čistou vodu, vyteče na druhém konci stejné množství obarvené vody („vína“).

Vysvětlení: Přiléváním vody do první láhve se zmenšuje objem vzduchu a roste tlak. Ten vytlačuje vodu ze sousední láhve.

7. Karteziánský potápěč

Potřeby: plastová láhev s uzávěrem (1,5 l průhledná), oční kapátko

Příprava a provedení: Plastovou láhev zcela naplníme vodou a uzavřeme. Jako kar­teziánský potápěč (tzv. „karteziánek“) se dobře hodí oční kapátko naplněné vodou se vzducho­vou bublinou. (Karteziánek musí být naplněn vo­dou tak, aby ještě plaval na hladině.) Při zmáčk­nutí stěn láhve se karteziánek potopí, při povo­lení tlaku opět vystoupí nahoru.

Vysvětlení: Příčina tkví v nestlačitelnosti vody a stlačitelnosti vzduchu. Tlak na stěny láhve je pře­nášen vodou a způsobí vniknutí vody do kapát­ka, které se tím stane těžší a začne klesat.

8. Heronova sluneční fontána

Potřeby: 2 plastové láhve s provrtanými gumovými zátkami, 2 skleněné trubičky ohnuté do pravého úhlu a na konci zúžené, bílý a černý papír, tepelný zdroj (horské sluníčko)

Příprava a provedení: Do láhve nalijeme asi 2 cm vody, nastrkáme 2 až 3 kopírovací pa­píry. Láhev uzavřeme zátkou, kterou prochází zahnutá trubička, která dosahuje té­měř ke dnu láhve. Láhev umístíme do vzdálenosti 25 cm až 50 cm před zdroj infra­červeného záření. Po krátké chvíli začne z trysky vystřikovat voda. Pro srovnání je dobré pokus zopakovat ještě jednou se dvěma láhvemi – jednou s kopírovacím papí­rem a druhou bez něho, příp. s bílým papírem.

9. Výtoková rychlost

Potřeby: plastová láhev (1,5 l, průhledná), provrtaná zátka, skleněná trubička, foto­miska, laboratorní stolek jako stojan

a) rychlost klesá

Příprava a provedení: Asi 3 cm nade dnem vypálíme do stěny nádoby otvor o průměru cca 5 mm. Z vyvýšené láhve necháme vytékat vodu do fotomisky a pozorujeme, jak se dostřik zkracuje s klesající hladinou.

b) rychlost je konstantní

Příprava a provedení: Zhotovíme tzv. „Mariottovu láhev“: je to uzátkovaná láhev, do níž je vzduchotěsně nasazena na obou koncích otevřená trubička, kterou může vzduch bublat do vody. Je-li spodní otvor této trubice ve výšce h nad výtokovým otvorem, pak je v tomto místě stále vnější atmosférický tlak a vytékající kapalina má podle Torricelliho vzorce stálou rychlost , pokud je trubice pod hladinou kapaliny.

                        

                                              a                                                              b

Vysvětlení: Trubice přenáší stálý atmosférický tlak z horní hladiny kapaliny pod ni. Odtéká-li při bublání kapalina z láhve, svědčí to o tom, že tlak vnějšího vzduchu sahajícího až k hladině B se vyrovnává s vnitřním tlakem v téže hladině, který je roven součtu tlaku zředěného vzduchu v láhvi a hydrostatického tlaku kapaliny v hloubce B. Výtoková rychlost je tedy dána přetlakem určeným výškou h (vzdále­ností hladin B a C). Protože se tato výška nemění, nemění se také výtoková rychlost, pokud všechna kapalina obsažená mezi hladinami A a B nevyteče a hladina B nezačne klesat.

Poznámka: u všech pokusů závisí úspěch na dokonalém těsnění všech spojů.