F02 - PRAWO PASCALA

podstawa programowa: fizyka klasa VII – właściwości materii

Do doświadczenia potrzebujesz:

Co?	Skąd?	Ile kosztuje?
strzykawka 100ml	apteka	5 zł
zapalniczka	masz w domu	-
spinacz biurowy	masz w domu	-
15cm taśmy biurowej typu scotch	masz w domu	-
kubek z wodą	masz w domu	-
duży talerz	masz w domu	-

Cena całego zestawu: 5 zł

 

Przebieg eksperymentu:

Część I:

1. Wyjmij tłok ze strzykawki.
2. Rozegnij spinacz, tak aby zrobić z niego szpikulec do robienia dziurek w strzykawce.
3. Rozgrzewaj końcówkę spinacza płomieniem z zapalniczki i zrób trzy dziurki w cylindrze strzykawki – w miejscach i odstępach takich, jak pokazane na filmie.
4. UWAGA: staraj się, aby dziurki były takie same i umieszczone w jednej linii.
5. Wsadź tłok do strzykawki.
6. Zalep dziurki taśmą scotch.
7. Nabierz do strzykawki wodę z kubka.
8. Trzymaj strzykawkę POZIOMO (ważne!) nad talerzem, zatykając palcem dziubek strzykawki.
9. Zerwij szybkim ruchem taśmę z dziurek i powoli wyciskaj tłok, obserwując strumyczki wody wypływające ze zrobionych dziurek.

 

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 o ciśnieniu:

Przypomnij sobie, czym jest ciśnienie – poznawaliśmy je podczas doświadczenia F01

Ale teraz mamy wodę a nie powietrze!

To prawda - poprzednio poznawaliśmy ciśnienie w gazie. Teraz w strzykawce jest ciecz – woda. Ciecz, w przeciwieństwie do gazu, bardzo trudno ścisnąć. Cząsteczki w cieczy znajdują się bardzo blisko siebie. Można powiedzieć, że cały czas się o siebie ocierają. Mimo tej różnicy w porównaniu do gazu, w cieczy również panuje określone ciśnienie i może się ono zmieniać. Źródło tego ciśnienia jest takie samo – to cząsteczki uderzające o powierzchnię – na przykład o ścianki strzykawki.

Ale wody nie da się ścisnąć!

Nie potrafimy co prawda ręką ścisnąć cieczy – czyli zmniejszyć pojemnika, w którym ciecz się znajduje (tak jak robiliśmy to w przypadku powietrza), ale jeśli z jednej strony będziemy na te cząsteczki naciskać – w naszym przypadku tłokiem – to naciskane przez nas cząsteczki będą naciskać na kolejne cząsteczki, a te na kolejne. Ciśnienie zwiększy się w całej objętości strzykawki, mimo, że naciskaliśmy pojemnik tylko w jednym miejscu.

Jak to sobie można wyobrazić?

Zjawisko jest trochę podobne do sytuacji w bardzo zatłoczonym autobusie, gdzie ludzie są stłoczeni tak, że prawie nie ma między nimi odstępów i jeden człowiek naciska na drugiego. Jeśli na przystanku zaczną dosiadać się kolejni ludzie, to nawet ci w głębi autobusu zaczną odczuwać większy nacisk.

Wyjaśnienie eksperymentu

Ten efekt wykorzystujemy w naszym doświadczeniu. Zwiększamy ciśnienie wewnątrz strzykawki, naciskając na tłok. Tłok zaczyna się poruszać, ale nie dlatego, że udało nam się ścisnąć wodę, ale dlatego, że woda powoli zaczyna wypływać przez zrobione przez nas dziurki. A zaczyna wypływać, gdyż wewnątrz strzykawki, w wyniku naciskania przez nas tłoka, jest większe ciśnienie niż ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz strzykawki. Im silniej naciskamy na tłok, tym strumyczki wody będą dłuższe – woda będzie wylatywać przez dziurki pod większym ciśnieniem.

Ale dlaczego strumyki miały taką samą długość?

No właśnie – to może wydawać się dziwne. Wracając do naszego przykładu z zatłoczonym autobusem: przecież jeśli ludzie zaczynają napierać od strony drzwi, to najbardziej tłoczno jest przy drzwiach. Im dalej od drzwi, tym odczuwamy to słabiej. Tak, ale porównanie z autobusem nie jest do końca właściwe – ludzie opierają się, nie chcą wpychać się na innych ludzi, część osób nie chce się oddalać od wejścia. Cząsteczki wody nie mają takich dylematów – popychane, po prostu pchają się na następne cząsteczki.

Jeśli więc podziałamy pewną siłą na jedną ze ścianek pojemnika, to ciśnienie wzrośnie tak samo w całym pojemniku. A więc również w każdym kawałku każdej ścianki pojemnika pojawi się dodatkowa siła – tak jakby siła się rozmnożyła.

Prawo Pascala

Efekt ten nazywamy prawem Pascala. Możemy je różnie zdefiniować i wszystkie te definicje znaczą to samo - na przykład:

Ciśnienie wywierane na zamknięty płyn jest przekazywane niezmienione na każdą część płynu oraz na ścianki naczynia

lub:

Ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz lub gaz znajdujące się w naczyniu zamkniętym rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach.

Czy nasze doświadczenie naprawdę to pokazuje?

I tu Cię chyba zdziwimy – nie! Prawo Pascala dotyczy układu będącego w tak zwanej równowadze – gdy ciśnienie w całym pojemniku miało czas, aby się wyrównać. Gdy zwiększamy ciśnienie w jednej części zbiornika, ciśnienie to potrzebuje czasu, aby rozprzestrzenić się w całym zbiorniku. Gdybyśmy mieli olbrzymi zbiornik o długości wielu kilometrów, to zwiększając ciśnienie w jednym jego miejscu, wzrost ciśnienia w odległym jego miejscu zaobserwowalibyśmy dopiero po pewnym czasie – przez zbiornik przetaczałaby się fala zwiększonego ciśnienia. Rozchodzenie się ciśnienia – szczególnie w cieczy – jest jednak bardzo szybkie. W naszej strzykawce jest tak szybkie, że nie zauważamy żadnego opóźnienia. Dlatego właśnie, choć nasza sytuacja nie jest „równowagowa” (bo przecież cały czas ruszamy powoli tłokiem i w ten sposób zmieniamy cały czas warunki w pojemniku), przy każdej z dziurek obserwujemy to samo ciśnienie – poprzez obserwację takiej samej długości strumyków wody. Możemy więc powiedzieć, że nasze doświadczenie pokazuje sytuację bardzo, bardzo bliską do opisywanej prawem Pascala. 

Jednak jeśli wykonując doświadczenie myślałeś, że strumyk wody bliżej tłoka powinien być największy, to trochę miałeś racji – tylko po prostu opóźnienie w rozchodzeniu się ciśnienia jest tak niewielkie, że tej różnicy nie można w prosty sposób zauważyć.

Po co nam prawo Pascala?

Efekt opisywany prawem Pascala – rozchodzenie się równomiernie ciśnienia w całym zbiorniku, wykorzystywany jest w wielu bardzo przydatnych urządzeniach – na przykład hamulcach czy podnośnikach hydraulicznych – ale o tym będziemy eksperymentować w następnym odcinku naszej serii.

****

Więcej o prawie Pascala możesz przeczytać na przykład tu: https://zpe.gov.pl/a/prawo-pascala/Du4QqoBeo

lub obejrzeć na przykład tu: https://pistacja.tv/film/fiz00030-prawo-pascala