Několik pokusů

Josef Trna

1. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti pevné látky

Potřeby: Bimetalový pásek, tenký drátek, závaží (několik gramů), pevná kladka, des­tička (asi 10´10 cm ze skla či kovu, plastu, překližky), 2 stativy s držáky, kahan.

Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte vodorovně bimetalový pásek tak, aby se po zahřátí ohnul dolů. Na jeho volný konec upevněte (např. do vyvrtaného otvoru) tenký drátek, který svisle veďte přes pevnou kladku, upevněnou na stejném stativu ve druhém držáku. Na volný konec drátku zavěste závaží (několik gramů). Pro pře­hlednost pokusu je vhodné, aby závaží viselo ve stejné výši jako bimetalový pásek. Závaží podložte destičkou, upevněnou na druhém stativu. Destička slouží jako in­dex počáteční polohy závaží. Plamenem kahanu zahřejte bimetalový pásek – závaží je vyzdviženo nad destičku.

Vysvětlení: Díky rozdílnému koeficientu teplotní délkové roztažnosti kovových částí bimetalového pásku dojde k jeho prohnutí. Toto prohnutí pomocí závěsu a pevné kladky způsobí vyzdvižení závaží. Tak je demonstrován jeden z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mechanickou práci.

Poznámka: Po ochlazení bimetalového pásku je možno proces zopakovat.

2. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti kapaliny

Potřeby: Baňka (asi 1 litr), obarvená voda, gumová zátka se skleněnou trubičkou, spo­jovací plastová hadička, plastová injekční stříkačka (5 ml), závaží (několik gramů), barevná plastová tyčinka (špejle), 2 stativy s držáky, síťka s azbestem, kahan.

Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte svisle plastovou injekční stříkačku trnem dolů. Na tento trn navlékněte pevně plastovou (průhlednou) spojovací trubičku, jejíž druhý konec stejným způsobem napojte na skleněnou trubičku, která vodotěsně prochází gumovou zátkou. Zátka pevně uzavírá baňku, upevněnou v držáku na druhém stativu. Celý systém naplňte obarvenou studenou vodou a dobře jej od­vzdušněte. Píst v injekční stříkačce před naplněním úplně stlačte na nulový objem. Na horní plošku pístu položte několikagramové závaží (vhodné je „přilepit“ toto zá­važí např. kouskem plastelíny). Na stativ se stříkačkou připevněte vodorovně (barev­nou plastovou tyčinku nebo špejli), který nastavte do počáteční úrovně závaží. Pla­menem kahanu zahřívejte baňku s vodou – píst se zvedá a závaží je tak vyzdviženo.

Vysvětlení: Zahřátím kapaliny dojde díky její teplotní objemové roztažnosti ke zvětšení objemu kapaliny, která zdvihne píst ve stříkačce a tím i závaží. Tak je demonstrován další z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mechanickou práci.

Poznámka: K naplnění systému kapalinou použijte další plastovou injekční stříkačku, na jejíž trn je nasazena tenká plastová hadička – např. stažená izolace z kovového vodiče. Zátka v baňce i plastová hadička musí být pevně vtlačena či nasazena, aby voda neunikala mimo systém.

3. Přeměna tepla v mechanickou práci prostřednictvím teplotní roztažnosti plynu

Potřeby: Baňka (asi 1 litr), gumová zátka se skleněnou trubičkou, spojovací plastová ha­dička, plastová nebo skleněná injekční stříkačka (10 ml a více), závaží (několik gra­mů), barevná plastová tyčinka (špejle), 2 stativy s držáky, síťka s azbestem, kahan.

Příprava a provedení: Na jeden stativ upevněte svisle injekční stříkačku trnem dolů. Na tento trn navlékněte pevně plastovou (průhlednou) spojovací trubičku, jejíž druhý konec stejně napojte na skleněnou trubičku, která vodotěsně prochází gumovou zát­kou. Zátka pevně uzavírá baňku, upevněnou v držáku na druhém stativu. Píst v in­jekční stříkačce úplně stlačte na nulový objem. Na horní plošku pístu položte několi­kagramové závaží (vhodné je „přilepit“ toto závaží např. kouskem plastelíny). Na stativ se stříkačkou připevněte index (barevnou plastovou tyčinku nebo špejli), který nastavte do počáteční úrovně závaží. Plamenem kahanu opatrně zahřívejte vzduch v baňce – píst se zvedá a závaží je tak vyzdviženo.

Vysvětlení: Zahřátím vzduchu dojde díky jeho teplotní objemové roztažnosti ke zvět­šení objemu vzduchu, který zdvihne píst ve stříkačce a tím i závaží. Tak je demon­strován další z možných principů tepelných motorů, které přeměňují teplo v mecha­nickou práci.

Poznámka: Zátka v baňce i plastová hadička musí být pevně vtlačena či nasazena, aby vzduch neunikal mimo systém.

4. Vztlaková síla v kapalině

Potřeby: Polystyrénové plováky, silonová nit, kladka na zátěži, siloměry (1–5 N), sta­tiv s držákem, kádinka či elementka (asi 2 litry), destilovaná voda, líh, roztok ku­chyňské soli.

Příprava a provedení: Kladku se zátěží spusťte na dno vysoké elementky (vysoké válco­vé kádinky) o obsahu asi 2 litry. Nádobu umístěte na podstavnou desku stativu. Na stativ nad nádobu upevněte vodorovnou tyč (držák) a na ni zavěste siloměr (cejcho­vaný po desetinách newtonu s rozsahem 2–5 newtonů). Na siloměr připevněte silo­novou nit, kterou provlečte kladkou v nádobě a na druhý konec přivažte polystyré­nový plovák. Do nádoby nalejte vodu a délku niti upravte tak, aby celý plovák byl vynořen nad vodou (zkrácení niti nebo posunutí tyče na stativu). Plovák postupně ponořujte posouváním držáku se siloměrem po stativu. Výchylka siloměru se po­stupně zvětšuje.

Vysvětlení: Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině je obvykle demon­strována jako součást Archimédova zákona. Zde je ukazována samostatně jako síla, působící na těleso proti síle tíhové, se kterou se skládá. Experiment má za cíl de­monstrovat následující kvalitativní i kvantitativní vlastnosti vztlakové síly:

(a) Existence a velikost vztlakové síly

Při zanedbání vlastní tíhy polystyrénového plováku výchylka siloměru indikuje existenci a ukazuje velikost vztlakové síly, kterou působí kapalina na plovák. Veli­kost vztlakové síly závisí na ponořené části tělesa, působí i na částečně ponořené tě­leso. Směr vztlakové síly zakreslete s využitím znalosti žáků o změně směru síly po­mocí kladky.

(b) Nezávislost vztlakové síly na tvaru tělesa

Na stěně nádoby vyznačte polohu hladiny kapaliny při úplně ponořeném plováku (ryska na cejchované kádince, samolepka, fix či jiný index). Plovák pak nahraďte plovákem jiného tvaru (válec, krychle, kvádr, koule či nepravidelné těleso) stejného objemu - hladina je stále ve výši označené indexem. Vztlaková síla nezávisí na tvaru ponořeného tělesa.

(c) Nezávislost vztlakové síly na hloubce

Měňte výšku siloměru nad hladinou vody a tak měňte hloubku, ve které je celý plo­vák ponořen. Vztlaková síla nezávisí na hloubce, ve které je celé těleso ponořeno (změnu hustoty kapaliny zanedbáváme).

(d) Závislost vztlakové síly na objemu ponořeného tělesa

Plovák nahraďte plovákem polovičního a dvojnásobného objemu (odměřte pomocí stupnice – indexů na stěně nádoby). Odečtěte příslušné velikosti (poloviční, dvojná­sobnou) vztlakové síly. Velikost vztlakové síly je přímo úměrná objemu ponořeného tělesa.

(e) Závislost vztlakové síly na hustotě kapaliny

Původní plovák ponořte střídavě do ethanolu, destilované vody a do roztoku soli ve vodě. Při každé změně kapaliny odečtěte velikost vztlakové síly. Velikost vztlakové síly je přímo úměrná hustotě kapaliny, ve které je těleso ponořeno.

(f) Hustoměr

Do různých kapalin ponořte plovák o objemu . Hodnota vztlakové síly je rovna: , což pro destilovanou vodu je:

                                     .

Siloměr (rozsah 1–2 N) je tedy možno ocejchovat v jednotkách hustoty a užívat jej ja­ko hustoměr pro měření hustoty kapalin.

Poznámka: Pokus (d) je možno nahradit postupným ponořováním (vynořováním) plo­váku, na kterém jsou vyznačeny části (polovina, čtvrtiny atd.) jeho objemu.