pondělí 30. března 2015

Která karta padá rychleji?

Dnes se budeme zabývat padajícími tělesy. Taková tělesa se občas chovají zcela jinak, než bychom očekávali. Před nějakou dobou jsme na tomto místě zkoumali problém, který řešil experimentálně v 17. století Galileo Galilei – padají těžká a lehká tělesa stejně rychle? Podobný experiment s peříčkem a těžkým kladivem provedli také američtí kosmonauti z Apolla 15 na povrchu Měsíce. Video určitě dokážete najít na internetu.

Připravte si dvě hrací karty. Obě karty držte ve stejné výšce asi dva a půl metru nad podlahou a půl metru od sebe (jednu kartu držte ve vodorovné poloze, druhou svisle) a ve stejný okamžik je pusťte. Která z nich narazí na podlahu dříve? Při pokusu buďte opatrní – hrozí úraz při pádu ze židle nebo žebříku – podle toho, jakým způsobem řešíte dosah do požadované výšky.

Jak odhadujete, že pokus dopadne? Pravděpodobně se shodneme na tom, že svislá karta bude padat přímo nejkratší cestou dolů – svislá počáteční poloha způsobí „prořezávání vzduchu“ a tak tato karta v podstatě bez odporu pofrčí dolů. Pokud uvažujete takto, budete překvapeni. Vodorovná karta padá téměř svisle dolů, během pádu se bude pouze lehce pohupovat. Svislá karta začne chvíli po uvolnění rotovat kolem své vodorovné osy. V prvních pár desetinách sekundy ale vzduch klade její hraně velmi malý odpor (ten totiž mj. závisí na ploše, která se o vzduch „opírá“) a tak karta při svém pádu výrazně zrychlí ve srovnání s vodorovnou kartou. Následující otáčení karty dále snižuje odpor vzduchu (vzduch kolem ní profukuje), proto si tato karta nejen že udržuje určitý náskok, ale tento náskok před vodorovnou kartou ještě mírně navyšuje. Rotace svislé karty také způsobuje, že nepadá kolmo dolů, ale směr jejího pádu se odchyluje od svislého směru. Porovnejte směr rotace karty se směrem, kterým se odchyluje. Pokud máte možnost, natočte si pád karet na video a v počítači si jej zpomaleně prohlédněte. Objevíte souvislost zmíněného odchýlení směru pádu se smyslem rotace. Pád vodorovné karty významně zpomaluje odporová síla vzduchu, vztlak, kterého při létání a stoupání využívají zejména bezmotorová letadla nebo rogala.

Vodorovná karta se chová velmi stabilně. Můžete se o tom přesvědčit nejen na nahraném videu, ale i prostým pohledem. V okamžiku, kdy se tato karta začne naklánět na jednu stranu, ji vzduch podepře, a nepatrně převáží na druhou stranu. A tímto způsobem se ve vzduchu kolébá, než dopadne na zem. U karty, která je svislá, každá nepatrná odchylka od přísně svislého směru výrazně zvýší odporovou sílu, působící zespodu na tuto část karty. Karta se rychle otočí, a situace s působením odporové síly a dalším otáčením karty se opakuje. Zatímco vodorovnou kartu odporová síla vzduchu nadnáší, svislou kartu roztáčí.

Do našeho pokusu zapojme novou pomůcku. Jak dopadne soutěž v padání mezi kartou a kovovou mincí – třeba dvacetikorunou? Zase se nabízí jasná odpověď. Dvacetikoruna musí dopadnout dříve. Předpoklad o tom, jak pokus dopadne, můžeme posílit výrazně větší hmotností mince a její menší plochou, a tedy i menším odporem vzduchu. Je zcela jedno, jestli kartu vypustíte z vodorovné nebo svislé pozice. Znamená to tedy, že nelze podmínky pokusu nastavit tak, aby mince a karta spadla ve stejný okamžik? Minci položte kartu, kterou budete držet ve vodorovné poloze. V průběhu celého pádu bude mince „sedět“ na kartě. Pád karty se dokonce touto zátěží o něco zklidní a karta se nebude při pádu kolébat.

Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. A hlavně se u pokusů dobře bavte!
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby – i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy.



pondělí 16. března 2015

Vytvořit mrak je tak snadné

V dnešním pokuse se zaměříme na mraky a mlhy. Víte, že mrak i mlhu si můžete snadno a poměrně bezpečně vyrobit i doma?

Mraky vznikají, když se vodní páry obsažené ve vzduchu ochladí. Teplý vlhký vzduch v atmosféře stoupá nahoru a se stoupající nadmořskou výškou se vzduch rozpíná a tak se snižuje jeho tlak. Právě  snížení tlaku vzduchu v atmosféře způsobí jeho ochlazování. Ochlazování je nakonec tak velké, že donutí vodní páry srazit se na drobné kapičky vody, které pak vytvoří mraky.

Sehnat pomůcky na tento pokus může být možná pro někoho obtížné, zeptejte se proto u kamarádů a spolužáků. Při vytváření mraků budete potřebovat čistou průhlednou litrovou PET láhev, hustilku na pumpování míče (s jehlou na konci hadičky) – ale možná vás napadne jiný způsob­ – zápalky, hodinky, korkovou zátku, izolepu, vodu a líh.

Korkovou zátku upravte tak, aby jehla hustilky prošla zátkou a na druhé straně vykukovala ze zátky ven. Asi bude zapotřebí také poopravit průměr zátky – zátka musí po nasazení na hrdlo PET láhve dobře těsnit. Pokud je zátka po nasazení do hrdla volnější, omotejte ji izolepou, pokud má větší průměr, musíte ji zbrousit. Po úpravě zátky protlačte zátkou jehlu hadičky. Do láhve nalijte teplou vodu, ale pouze tolik, aby pokryla její dno. Jak moc vody má být? No … přiměřeně, asi tak 1 – 2 cm. Do láhve teď potřebujete dostat trochu kouře. Zapalte zápalku, nechejte ji pár sekund rozhořet a pak ji uhaste. Kouřící zápalku vhoďte do láhve. Do hrdla vtlačte korkovou zátku a několikrát (asi tak dvacetkrát) zapumpujte pístem hustilky. V láhvi je teď více vzduchu, než tam bývá za normálních okolností – vznikl v ní přetlak. Pokud vše probíhá tak, jak má, pak při zvětšování tlaku v láhvi zmizí kouř. Nyní vytáhněte korek z láhve, a pokud se vám podařilo vše tak, jak mělo, pak se vám v lahvi vytvoří mrak.

Je mrak málo patrný? Zkuste vylepšení.  K jeho provedení nutně potřebujete mít po ruce dospělou osobou. Vylejte ze sklenice vodu a místo ní do ní nalijte trochu čistého lihu. Lahví zatřeste, líh přitom pokryje tenkou vrstvičkou stěny láhve. POZOR! Tentokrát ŽÁDNÉ ZÁPALKY! Líh je vysoce hořlavá kapalina! Hned po protřepání láhve nasaďte na hrdlo zátku a pumpičkou láhev natlakujte. Dvacetkrát zapumpovat by mohlo stačit. Po napumpování zátku z hrdla vytáhněte. Mrak! Povedl se?
Molekuly vody jsou všude kolem nás. To, že je nevidíme, neznamená, že neexistují – molekuly vodní páry jsou totiž tak malé, že je nemůžeme spatřit. Protože vzduch je plný různých mikroskopických nečistot, vodní molekuly se na částečkách nečistot zachytávají a shlukují.

A co se tedy děje uvnitř naší láhve? Pumpováním vzduchu do láhve stlačujeme molekuly uvnitř, nahustíme je k sobě na mnohem menší vzdálenost, než jakou mají obvykle. Při vytažení zátky z hrdla láhve se molekuly vzduchu prudce rozpínají. Jak jsem už zmínil dříve, důsledkem rychlého rozpínání vzduchu je jeho prudké ochlazení. A při ochlazení vzduchu se začnou vytvářet minikapky – molekuly vodní páry a vzduchu se lepí na drobné částečky prachu, jejichž přítomnost je pro vznik těchto minikapek velmi důležitá, a tak se vytvářejí shluky vodních par, které jsou zabarvené doběla. Úplně stejným způsobem se vytváří mraky na obloze.


Jiným zajímavým přírodním úkazem je mlha. A ani tu není obtížné vyrobit. Zavařovací sklenici se širokým hrdlem naplňte teplou vodou, po chvíli ji vylijte a nechte na dně jen asi 2 cm vody. Na hrdlo sklenice položte sítko, do něho vložte kostky ledu. Ledové kostky ochlazují vzduch ve své blízkosti. Studený vzduch má větší hustotou, proto klesá do sklenice. Ve sklenici způsobí ochlazování molekul vodních par, které se začnou spojovat dohromady a způsobí tak zneprůhlednění sklenice. Mlha je tady.

Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. A hlavně se u pokusů dobře bavte!
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby – i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy.


pondělí 2. března 2015

Proč těžké předměty plavou na hladině?

Mnoho lidí si myslí, že ve vodě plavou lehké předměty a ty těžké se potopí.  Najít příklady, které této domněnce odporují je ale velmi jednoduché – těžká kláda v řece určitě bude plavat, zatímco zrnka zvířeného písku klesají ke dnu. Na čem tedy záleží, zda se těžké těleso ve vodě potopí nebo ne? Vyzkoušejte dnešní pokus a problém s plaváním či potápěním těles vám bude mnohem jasnější.

K uskutečnění pokusu budete potřebovat běžné předměty. Takové co asi máte po ruce, nebo je bez problému i s pár drobnými v peněžence koupíte v obchodě: tužka, izolepa, dlouhé pravítko, dvě čajové svíčky, plastelína, voda.

Tužku přilepte izolepou na obou koncích k desce pracovního stolu. Svíčky vyndejte z jejich hliníkových misek. Misky přilepte lepicí páskou na opačné konce pravítka. Pravítko položte přes tužku a pokuste se misky na jeho koncích vyvážit. Místo, kde je pravítko při vyvážení podepřené, si dobře zapamatujte – bude vaším tzv. rovnovážným bodem. Polohu rovnovážného bodu si vyznačte i na pravítku.  Jednu svíčku vraťte zpět do misky – dejte pozor, abyste neopatrností neposunuli polohu rovnovážného bodu. Do druhé misky pomaličku lijte vodu tak dlouho, dokud nebude plná. Co je těžší – vosk svíčky nebo voda? Myslíte si, že bude vosková svíčka plavat ve vodě nebo se potopí? Protože se pravítko převáží na stranu misky s vodou, znamená to, že více váží misky vody, než miska vosku. Z toho vyplývá, že vosk má menší hustotu než voda a proto se ve vodě nepotopí. Vyzkoušejte a uvidíte.

Uveďte pravítko i misky do původního stavu, tj. do stavu před zahájením experimentu - obě misky zcela prázdné. Tentokrát misku, ve které byl před chvílí vosk, zcela vyplňte plastelínou až po okraj. Pak pravítko opět podložte tužkou pod rovnovážným bodem a do druhé misky pomalu až po okraj dolévejte vodu. Co je těžší – kontejner s vodou nebo kontejner s plastelínou? Bude plastelína plavat ve vodě? Vyzkoušejte a uvidíte.

Jak vysvětlit průběh obou experimentů? Uvažujme spolu. Abychom zjistili, jestli se těleso potopí nebo nepotopí, musíme porovnat hmotnost obou pevných těles (vosk a plastelína) s hmotností vody ve druhém kontejneru. Pokud je hmotnost vosku (nebo plastelíny) v misce větší, než hmotnost vody ve druhé (ale stejné) misce, pak se vosk ve vodě potopí. Jestli jste zjistili opak, musí naopak plavat na hladině. Podobně je to i s dříve zmíněným zrnkem písku: maličké zrníčko písku se propadne vodní hladinou – je lehčí než stejné množství vody, nebo těžší? No a co ten obrovský kmen stromu? Jak je to s hmotností kmenu a stejného množství vody (vody o stejném objemu, jako má kmen stromu)?


Pokud chceme zjistit, jak se bude těleso chovat v libovolné kapalině, musíme zjistit jeho hustotu. Hustota je hmotnost dohodnutého objemu dané látky (nejčastěji metru nebo centimetru krychlového). Jestliže např. krychlový centimetr látky váží více než stejný objem vody, těleso se v kapalině potopí. 

Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. A hlavně se u pokusů dobře bavte!
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby – i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy.