F01 - Ciśnienie

podstawa programowa: fizyka klasa VII – właściwości materii

Do doświadczenia potrzebujesz:

Co?	Skąd?	Ile kosztuje?
jedna pianka marshmallow	sklep spożywczy	4 zł
jedna strzykawka 100ml	apteka	5 zł

Cena całego zestawu: 9 zł 

Przebieg eksperymentu:

Część I:

1. Wyjmij tłok ze strzykawki
2. Włóż piankę do strzykawki
3. Włóż tłok do strzykawki – na razie nie wciskaj go!
4. Chwyć strzykawkę w dłoń i zatkaj mocno wylot strzykawki kciukiem
5. Drugą ręką wciskaj tłok strzykawki i obserwuj zachodzące zmiany wewnątrz strzykawki

Część II:

1. Wyjmij tłok ze strzykawki
2. Włóż głęboko piankę do strzykawki, tak aby znalazła się tuż przy wylocie
3. Włóż tłok do strzykawki – delikatnie wciśnij go, aż prawie dotknie pianki
4. Chwyć strzykawkę w dłoń i zatkaj mocno wylot strzykawki kciukiem
5. Drugą ręką wyciągaj tłok strzykawki i obserwuj zachodzące zmiany wewnątrz strzykawki

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

Czym jest ciśnienie?

Ciśnienie to siła działająca prostopadle na powierzchnię:

Nazwa polska	Nazwa angielska	Symbol fizyczny	Jednostka	Symbol jednostki
ciśnienie	pressure	p	paskal	Pa
siła	Force	F	niuton	N
powierzchnia	Surface	S	metr kwadratowy	m2

Ale co to tak naprawdę oznacza?

Zacznijmy od czegoś intuicyjnego – ciśnienia gazu – na przykład powietrza. Jeżeli nadmuchamy balon, to ciśnienie powietrza wewnątrz balonu będzie działać od środka na gumową ściankę balonu, rozciągając balon do pewnej wielkości. Ciśnienie wewnątrz balonu daje o sobie znać właśnie w ten sposób, że działa pewną siłą na wewnętrzną powierzchnię balonu.

Siła ta ma swoje źródło w mikroskopowej budowie powietrza. Powietrze składa się z olbrzymiej liczby małych cząsteczek – głównie dwuatomowych cząsteczek azotu i tlenu. Cząsteczki poruszają się chaotycznie we wszystkich kierunkach z różnymi prędkościami. Jeżeli naszą porcję powietrza zamkniemy w jakimś naczyniu – na przykład balonie, to część cząsteczek będzie uderzać w ściankę balonu. Pojedyncze uderzenie cząsteczki byłoby dla nas właściwie niezauważalne, lecz tych uderzeń jest w każdej sekundzie bardzo dużo i efekt tych uderzeń zauważamy właśnie jako siłę działającą na powierzchnię.

No dobrze – to dotyczy rozciągającego się balonu. A czy jeśli zamkniemy porcję powietrza w pojemniku, który nie jest tak rozciągliwy jak balon i nie będzie się rozszerzać jak balon, to ciśnienia wewnątrz takiego pojemnika nie ma? Ono tam cały czas jest, tylko ścianki takiego pojemnika są na tyle twarde, że wytrzymują napierającą na nie siłę. Do czasu! Jeśli w jakiś sposób (na przykład małym otworem i podłączoną do niego pompką) wprowadzalibyśmy coraz więcej powietrza do takiego zamkniętego pojemnika, zwiększalibyśmy ilość cząsteczek gazu w pojemniku. Tym samym zwiększalibyśmy ilość cząsteczek uderzających w każdej chwili w ścianki pojemnika, aż siła, która działa na ścianki takiego pojemnika byłaby tak duża, że rozerwałaby pojemnik. Tak samo, jak rozrywany jest zbyt nadmuchany balon.

Taki sam efekt – zwiększenia ilości cząsteczek uderzających w ścianki pojemnika - możemy uzyskać w inny sposób. Zamiast dopompowywać powietrze do pojemnika, możemy zmniejszyć pojemnik, ściskając w ten sposób zawarte w nim powietrze. Wtedy wśród cząsteczek gazu robi się tłoczno – a więc i więcej cząsteczek będzie w każdej sekundzie uderzać w ścianki pojemnika. Zwiększyliśmy ciśnienie w naszym pojemniku.

Możemy również osiągnąć efekt przeciwny – jeśli zwiększymy pojemnik, to ciśnienie powietrza w pojemniku się zmniejszy.

Wyjaśnienie eksperymentu

Ten efekt wykorzystujemy w naszym doświadczeniu. Pojemnikiem na powietrze jest duża strzykawka. Na początku, odciągając tłok, napełniamy ją powietrzem. Zamykamy wylot strzykawki, mocno przyciskając palec do otworu na igłę. Jeśli teraz ruszymy tłokiem strzykawki, to zmieniamy wielkość pojemnika, w którym uwięzione jest powietrze.

Najpierw prościej - zwiększamy ciśnienie

Jeśli zaczniemy wciskać tłok strzykawki, to zwiększamy ciśnienie w środku strzykawki. Większe ciśnienie to większa siła działająca na ścianki pojemnika, w tym również na tłok, który jest jedną ze ścianek pojemnika. Czujemy to bardzo dobrze, zauważając, jak trudno jest wcisnąć tłok.

Teraz trudniej – zmniejszamy ciśnienie

Wysuwając tłok, zmniejszamy ciśnienie w strzykawce. Ale dlaczego w takim przypadku czujemy, jakby siła działała w przeciwną stronę – jakby próbowała wcisnąć tłok z powrotem? Przecież nawet mniejsze ciśnienie w strzykawce powinno oznaczać jakąś (choć trochę mniejszą) siłę wypychającą od środka tłok, a nie wciągającą go z powrotem?

Dzieje się tak dlatego, że wykonujemy nasze doświadczenie w atmosferze ziemskiej. Otaczające nas powietrze również ma swoje ciśnienie – i to nie małe – około stu tysięcy paskali! Tłok strzykawki (ale tak samo też ścianki balonu czy pozostałe plastikowe ścianki strzykawki) jest z obu jego stron poddawany dwóm siłom: jednej pochodzącej od ciśnienia powietrza wewnątrz strzykawki, drugiej pochodzącej od ciśnienia na zewnątrz strzykawki. Dopóki oba ciśnienia są takie same, to obie siły są też takie same – równowaga sił powoduje, że tłok pozostaje w miejscu. Jeśli zmniejszymy ciśnienie w strzykawce (odciągniemy tłok), to siła działająca z zewnątrz (pochodząca od atmosfery) będzie większa, niż siła pochodząca od powietrza zamkniętego wewnątrz strzykawki.

Dlatego zmniejszenie ciśnienia wewnątrz strzykawki odczuwamy tak, jakby ktoś próbował wcisnąć tłok od zewnątrz. Tak jakby tłok był wsysany do środka.

A co by było w próżni?

Gdybyśmy nagle zlikwidowali ciśnienie atmosferyczne – na przykład umieścili naszą strzykawkę w laboratoryjnej próżni lub nagle wyrzucili ją na zewnątrz statku kosmicznego, to ciśnienie powietrza uwięzionego wewnątrz strzykawki – nawet gdyby było bardzo małe – wypchnęło by gwałtownie tłok ze strzykawki. Chcąc temu zapobiec, musielibyśmy cały czas przytrzymywać tłok – przeciwdziałać sile działającej od środka na tłok, pochodzącej od ciśnienia powietrza wewnątrz strzykawki.

Wynika z tego ciekawy wniosek:

Nie istnieje nic takiego jak „wsysanie” czy „przysysanie”. Jeśli wciągamy (wsysamy) powietrze do naszych płuc, to tak naprawdę nic nie wsysamy, a jedynie powietrze z zewnątrz, będące pod ciśnieniem atmosferycznym, wciska się do naszych ust, ponieważ zmniejszyliśmy ciśnienie w naszych płucach (ruszając przeponą – specjalnym mięśniem w naszym brzuchu –– podobnie jak ruszaliśmy tłokiem strzykawki). Nie wciągamy wody przez słomkę, a jest ona wciskana do naszych ust przez ciśnienie atmosferyczne działające na powierzchnię wody w kubku, które przeważa, bo przeponą zmniejszyliśmy ciśnienie w naszych ustach.

Również żadna przyssawka nigdy się nie przysysa. To ciśnienie atmosferyczne z zewnątrz przyssawki przygniata ją „od góry”, dlatego że ciśnienie pod przyssawką bardzo zmniejszyliśmy (wycisnęliśmy powietrze spod przyssawki). W próżni kosmicznej żadna przyssawka do niczego by się nie przyssała.

Ale dlaczego pianka marshmallow się powiększała i kurczyła?

Przejdźmy do głównej obserwacji naszego doświadczenia. Przy zwiększaniu ciśnienia (wciskaniu tłoka) pianka marshmallow się kurczyła, zaś przy wyciąganiu tłoka się powiększała. Te zmiany kształtu zachodziły nawet wtedy, gdy tłok nie dotykał pianki.

Jak to możliwe? I jak to się ma do naszych rozważań o ciśnieniu?

Wygląda na to, jakby coś ściskało lub rozciągało piankę. Wynika to ze zmiany ciśnienia powietrza wewnątrz strzykawki. Mimo, że ciśnienie to „siła działająca na powierzchnię”, to nie chodzi tu tylko o powierzchnię pojemnika, w którym zamknęliśmy gaz. Chodzi o każdą – nawet istniejącą tylko w naszej wyobraźni – powierzchnię wewnątrz takiego pojemnika. Wciskając lub wysuwając tłok strzykawki zwiększamy ciśnienie w każdym miejscu w środku pojemnika.

Pianka składa się z małych bąbelków powietrza uwięzionych w ściankach zrobionych ze składników spożywczych, z których powstała pianka (głównie cukier i białko jajka). Każdy z takich bąbelków to taki mały pojemniczek z powietrzem. Gdy wciskamy tłok, a więc zwiększamy ciśnienie w strzykawce, to każdy z tych małych bąbelków-pojemniczków też podlega zwiększonemu ciśnieniu i się kurczy. Gdy ciśnienie w strzykawce zmniejszamy (wysuwamy tłok), to ciśnienie powietrza wewnątrz bąbelków pianki zaczyna być większe od ciśnienia powietrza otaczającego piankę i bąbelki puchną aż do momentu, gdy oba ciśnienia się wyrównają. Aby powiększanie lub kurczenie pianki zachodziło, tłok wcale nie musi dotykać pianki. Siła jest przekazywana poprzez olbrzymią ilość cząsteczek powietrza wypełniających wnętrze strzykawki.

Gdybyśmy naszą piankę wyrzucili na zewnątrz statku kosmicznego (brak ciśnienia), pianka by gwałtownie spuchła i prawdopodobnie by wręcz eksplodowała. Niestety to samo stałoby się z astronautą, którego kombinezon by się niefortunnie przerwał – ciało astronauty (a szczególnie jego płuca) by spuchło i popękało jak pianka marshmallow, co byłoby dla niego śmiertelne. Trochę ten efekt możemy zauważyć po śladach na skórze naszego palca, którym zatykaliśmy strzykawkę. Na szczęście to tylko malutki kawałek naszego ciała i nie było to dla nas zagrożeniem.

Zmiany ciśnienia mogą więc być czasami niebezpieczne. Tym razem ucierpiała tylko pianka :)

****

Więcej o ciśnieniu możesz przeczytać na przykład tu: https://zpe.gov.pl/a/cisnienie-cisnienie-hydrostatyczne-i-atmosferyczne/D1EJ4ROjf

lub obejrzeć na przykład tu: https://pistacja.tv/film/fiz00029-cisnienie-i-parcie?playlist=1579

i tu (więcej pianek w akcji): https://www.youtube.com/watch?v=OuHBzK-LK24