Zestaw do demonstracji prawa Pascala i innych zjawisk hydrostatycznych

Andrzej Trzebuniak

Myślą przewodnią skonstruowania zestawu była prostota jego budowy i dostępność użytych elementów. Każdy nauczyciel może samodzielnie wykonać taki zestaw, jeśli nie dysponuje zestawem fabrycznym. Podstawowym elementem zestawu jest manometr wraz z sondą do pomiaru ciśnienia. Możliwości zastosowania mano­metru wykraczają znacznie poza zasygnalizowane w temacie (jak np. przemiany gazowe, promieniowanie cieplne, termoskopia, dynamika płynów i inne). Ponadto w skład zestawu wchodzą różnego typu nurki Kartezjusza oraz proste naczynia z butelek plastykowych, których przezroczystość, sprężystość i szczelność zakrętek to zalety w proponowanych zastosowaniach.

rys. 1 – manometr: 1 zbiornik manometru, 2 zabarwiona woda, 3 ramię manometru, 4 skala, 5 zbiornik zabezpieczający,  miejsca mocowania,  płyta styropianowa, 8 statyw.

Zestaw można skonstruować w oparciu o tanie i dostępne w sprzedaży elementy i materiały, jak strzykawki jednorazowe, lejki plastykowe czy przezroczysty wąż z tworzywa. Manometr składa się z dwu zbiorników zrobionych ze strzykawek, po­łączonych ze sobą odpowiednio uformowanym wężem, tworzącym prawie poziome ramię (rys. 1). Odpowiednim nachyleniem ramienia można uzyskać żądaną czułość przyrządu, bowiem niewielkie zmiany wysokości cieczy w naczyniu powodują znaczne przesunięcie słupa cieczy w ramieniu manometru. Wszystkie elementy przymocowano do prostokątnej płyty ze styropianu. Połączenia zbiorników z wę­żem winny zapewniać szczelność. Gdy przekrój węża jest nieco większy od końcó­wek zbiorników, to można pogrubić końcówki taśmą samoprzylepną lub kawałkiem innego węża. Zbiornik (1) powstał przez doklejenie klejem silikonowym do jednej strzykawki odciętego końca drugiej strzykawki o takim samym przekroju. Cieczą wypełniającą manometr jest woda zabarwiona atramentem. Urządzenie można łatwo zamontować na statywie lub, stawiać bezpośrednio na stole demonstra­cyjnym.

rys. 2 – sonda do pomiaru ciśnienia: 1 wąż łączący z manometrem, 2 plastyko­wa rurka z przegubem, 3 przegub, 4 pętla, 5 lejek, 6 pierścień z węża podtrzy­mujący mocowanie membrany, 7 gumka mocująca membranę, 8 membrana.

Drugim istotnym elementem zestawu jest sonda do pomiaru ciśnienia (rys. 2). Na małym plastykowym lejku rozpięta jest membrana z balonika. Odcięta szyjka ba­lonika dobrze nadaje się na gumkę mocującą i napinającą membranę. Kształt lejka utrudnia mocowanie membrany dlatego poniżej brzegu lejka przyklejono pierścień z węża (6) zapobiegający zsuwaniu się gumki. Aby uzyskać możliwość penetracji naczyń o niewielkich przekrojach, jakie wchodzą w skład zestawu, można przyciąć wlew lejka. Doświadczalnie można znaleźć odpowiednie wymiary sondy, mając na uwadze fakt, ze zmniejszanie przekroju lejka pogarsza czułość sondy. W wylocie (lub na wylocie) lejka osadzamy koniec węża łączącego sondę z manometrem. Usz­czelniamy go i mocujemy klejem silikonowym lub gumowym. Dobrze jest­przysondową część węża usztywnić (w prezentowanym zestawie wykorzystano plastykową słomkę do napojów (2), posiadającą przydatny przegub) dla lepszej możliwości poruszania sondą. Zastosowany w sondzie przegub (3) oraz pętla (4) ułatwiają zginanie sondy, co umożliwia badanie ciśnienia w różnych kierunkach.

Istotnym uzupełnieniem zestawu są nurki Kartezjusza (rys. 3). Przy ich pomocy można w ciekawy sposób wprowadzić pojęcia związane z siłą wyporu i pływaniem ciał.

                                                                  

rys. 3 – nurki Kartezjusza: 1 styropianowy obciążony śrubą z nakrętkami, 2 ze strzykawki, z możliwością regulacji wyporu wysunięciem tłoka.

Najprostszym materiałem do wykonania nurka jest miękki, gruboziarnisty styro­pian, który dzięki swojej konsystencji reaguje na niewielkie zmiany ciśnienia wy­raźną zmianą objętości. Odpowiednio przycięty kawałek styropianu obciążony śru­bą można precyzyjnie wyważyć, nakręcając określoną ilość nakrętek (1) tak, aby pły­wał niemal całkowicie zanurzony przy powierzchni wody. Tak wykonany nurek reaguje na zmiany ciśnienia rozchodzące się w wodzie zanurzeniem odpowiednim do ciśnienia. Nurek Kartezjusza może być także wykonany z cienkiej strzykawki jednorazowej (2). Wylot strzykawki należy zakleić lub zatopić na gorąco, w tłoku natomiast należy wyciąć otwory umożliwiające dostęp wody do wnętrza nurka. Tak zmodyfikowana strzykawka, po odpowiednim obciążeniu końca tłoka (np. plaste­liną) pływa zanurzona przy powierzchni wody i reaguje na zmiany ciśnienia odpo­wiednim zanurzaniem. Zmodyfikowany tłok pozostawiony w strzykawce pełni is­totną funkcję. Przesuwanie tłoka zmienia ilość powietrza mogącego wypełnić zbior­nik nurka, co wpływa bezpośrednio na zmianę siły wyporu jakiej podlega nurek. Zaletą takiej konstrukcji jest możliwość ostatecznego wyważenia nurka przesuwa­niem tłoka. Pozostawiając w nurku tłok bez opisanych modyfikacji i obciążając go tak, by skala strzykawki częściowo wystawała ponad powierzchnię cieczy, uzyskuje się model areometru.

Uwagi końcowe:

Wspomniane we wstępie szerokie zastosowanie manometru można zilustrować kil­koma przykładami. Manometr może być wykorzystany jako termoskop, gdy za­miast sondy podłączy się do niego szklaną bańkę o niewielkiej objętości. Wskazania manometru proporcjonalne do zmian objętości powietrza w bańce mogą określać zmiany temperatury, jakim poddawana będzie bańka. Jednocześnie samo zjawisko jest przykładem przemiany izobarycznej. Badając promieniowanie cieplne można modyfikować szklaną bańkę, pokrywając jej powierzchnię substancjami o różnych współczynnikach pochłaniania promieniowania cieplnego, od odbijających, np. folia aluminiowa (folia kuchenna), do pochłaniających, np. sadza (poprzez okopcenie nad płomieniem świecy).

Omawiany zestaw, z uwagi na swoją prostotę, może być zaproponowany uczniom do samodzielnego wykonania. Za jego pomocą uczniowie będą mogli badać i po­znawać prawa hydrostatyki. Konstruowanie zestawu i jego zastosowanie w reali­zacji powyższego zagadnienia może być elementem metody projektów w nauczaniu fizyki.

Dziękuję Panu Mgr Bronisławowi Tokarowi za wskazanie pomysłu i cenne uwagi podczas realizacji pracy.