F06 - NACZYNIA POŁĄCZONE cz.2
podstawa programowa: fizyka klasa VII – właściwości materii
Do doświadczenia potrzebujesz:
|
Co? |
Skąd? |
Ile kosztuje? |
|---|---|---|
|
szklanki 2 szt. |
masz w domu |
- |
| wężyk silikonowy 4/6mm - 20cm | sklep akwarystyczny | 3 zł |
| miska z wodą |
masz w domu | - |
Cena całego zestawu: 3 zł
Przebieg eksperymentu:
- Nalej wody do połowy szklanek.
- Napełnij wężyk wodą, zanurzając go w misce.
- Zatkaj końce wężyka palcami i włóż je pod powierzchnię wody w obu szklankach – tak aby nie dostało się powietrze do wężyka.
- Podnieś jedną szklankę – obserwuj zachodzące zmiany.
UWAGA: film z pokazanym eksperymentem przeznaczony jest najpierw dla rodzica.
Młody naukowcu - nie psuj sobie zabawy! nie oglądaj filmu ani nie czytaj poniżej zamieszczonego wyjaśnienia przed wykonaniem eksperymentu pod okiem rodzica.
TEORIA
Najpierw powtórka:
Przypomnij sobie doświadczenie F05.
Co wyszło w eksperymencie?
Poziom wody w obu szklankach wyrównywał się. Jeśli podnieśliśmy jedną ze szklanek wyżej od drugiej, poziom wody w niej opadał, a w tej drugiej się podnosił, aż poziomy się wyrównały.
Co ma to wspólnego z naczyniami połączonymi?
Jeżeli przyjrzysz się naszemu zestawowi, to właśnie są to naczynia połączone. Połączone w dziwny sposób – poprzez rurkę, która przechodzi „górą”, a nie „dołem” (jak to było w doświadczeniu F05), ale przecież w wytłumaczeniu zjawiska wyrównywania się poziomów cieczy w naczyniach połączonych nic nie mówiliśmy o kształcie tych naczyń ani o ułożeniu połączenia. W całym zestawie naczyń połączonych działa prawo Pascala.
No dobrze, ale jednak jest jedno „ale”…
…dlaczego woda płynie do góry?
Woda, przelewając się z pierwszego naczynia (o wyższym jej poziomie), do drugiego naczynia (o niższym jej poziomie), przez część wężyka (od pierwszego naczynia do najwyżej położonego kawałka wężyka), płynie do góry. Dzieje się tak, mimo że nie ma tam żadnej pompki ani turbinki, która by tę wodę popychała. A przecież wiemy, że woda sama z siebie nie zaczyna płynąć do góry. Jak jest to więc możliwe?
Zwróć uwagę na wysokości wężyka: „od naczynia pierwszego do najwyższego miejsca” oraz „od najwyższego miejsca do drugiego naczynia”. Ta druga wysokość jest większa. Ciśnienie atmosferyczne na powierzchniach cieczy w obu naczyniach jest praktycznie takie samo, a więc takie somo jest ciśnienie wody na styku z powietrzem. Wiemy z doświadczenia F04, że ciśnienie hydrostatyczne musi rosnąć wraz z głębokością (a więc jednocześnie „maleć” wraz z wynurzaniem się). Zatem gdy „wspinamy się” (czyli wynurzamy) w górę wężyka, ciśnienie panujące w wodzie w danym miejscu wężyka musi być tym mniejsze, im wyżej się wespniemy (bardziej się wynurzymy).
Przy czym tak „wynurzając się” wewnątrz wężyka aż do jego najwyższego punktu, wynurzymy się „bardziej” z naczynia drugiego niż z naczynia pierwszego – po prostu dlatego, że wężyk od naczynia drugiego do najwyższego miejsca wężyka - jest dłuższy.
Gdyby zatem dwaj malutcy nurkowie (jeden w jednym naczyniu a drugi w drugim) zaczęli razem wynurzać się w środku wężyka, cały czas mierząc panujące wokół nich ciśnienie – to spotykając się na górze, każdy z nich doszedłby w swoich pomiarach do innej wartości ciśnienia – nurek z drugiego naczynia tuż przed „szczytem” czułby niższe ciśnienie (bo „bardziej” się wynurzył), niż nurek z naczynia pierwszego.
Wygląda to na paradoks – jeżeli byśmy podróżowali jakąś malutką łodzią podwodną w środku wężyka z naczynia pierwszego do drugiego, to w najwyższym jego punkcie mierząc ciśnienie z tyłu łodzi zaobserwowalibyśmy większe ciśnienie, niż z przodu łodzi. Przypomnij sobie jednak, czym jest ciśnienie – to siła działająca na powierzchnię. Taki dziwny pomiar oznacza tylko tyle, że od strony pierwszego naczynia na wodę (i naszego rurka, i naszą malutką łódź podwodną) działa większa siła, niż od strony naczynia drugiego. To właśnie ta nierównowaga sił powoduje ruch wody w rurce – od pierwszego do drugiego naczynia.
Ciekawostka
Ta różnica ciśnień nazywana jest ciśnieniem dynamicznym i to ona odpowiada za ruch wody w rurce. Ale to już inna bardziej skomplikowana historia i na razie nie musisz się tym przejmować.
Zastosowania praktyczne
Jak widzisz, wężyk łączący naczynia wcale nie musi ich łączyć dołem. Może też iść górą – ważne tylko, żeby został w całości wypełniony cieczą.
Pozwala to na wiele zastosowań praktycznych. W taki sposób można (za pomocą rurki) spuścić ciecz z jednego naczynia do drugiego (ustawionego niżej) – i nie musimy tego naczynia podnosić ani przechylać - co czasami byłoby bardzo trudne (bo np. naczynie jest bardzo duże i ciężkie). Tak można spuścić wodę z akwarium lub paliwo z baku samochodu.
Ten szczególny przypadek naczyń połączonych, gdy rura łącząca naczynia na pewnym odcinku „idzie w górę”, niektórzy nazywają lewarem hydraulicznym. Po angielsku układ taki nazywamy siphon (uwaga – to nie do końca to samo co po polsku syfon).
****
O lewarze hydraulicznym możesz poczytać na przykład tu: https://pl.wikipedia.org/wiki/Lewar_hydrauliczny
Wikipedia w wersji angielskiej zawiera o wiele dokładniejsze wyjaśnienie tego zjawiska, wskazując również na jego złożoną naturę: https://en.wikipedia.org/wiki/Siphon
Możesz też o tym zjawisku obejrzeć np. tu: https://www.youtube.com/watch?v=CZmP0vsRBZ8