F05 - NACZYNIA POŁĄCZONE
podstawa programowa: fizyka klasa VII – właściwości materii
Do doświadczenia potrzebujesz:
|
Co? |
Skąd? |
Ile kosztuje? |
|---|---|---|
|
strzykawka 50ml |
apteka |
3 zł |
|
strzykawka 10ml |
apteka |
1 zł |
| wężyk silikonowy 4/6mm - 20cm | sklep akwarystyczny | 3 zł |
| kubek z wodą |
masz w domu | - |
Cena całego zestawu: 7 zł
Przebieg eksperymentu:
- Wyjmuj tłoki ze strzykawek.
- Połącz dziubki strzykawek wężykiem.
- Nalej wody do połowy szerokiej strzykawki i poczekaj, aż woda ż do wąskiej strzykawki.
- Podnoś na przemian wąską i szeroką strzykawkę i obserwuj czy woda przepływa między strzykawkami i na jakim poziomie się ustala w każdej ze strzykawek.
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 ciśnienie hydrostatyczne – poznawaliśmy je podczas doświadczenia F04.
Co wyszło w eksperymencie?
Poziom wody w obu strzykawkach zawsze po pewnym czasie się wyrównywał. Jeśli podnieśliśmy jedną ze strzykawek wyżej od drugiej, poziom wody w niej opadał, a w tej drugiej się podnosił, aż poziomy się wyrównały. Nie miało znaczenia, czy podnosimy lub opuszczamy strzykawkę węższą czy szerszą.
Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, wystarczy sięgnąć do wiedzy, którą już masz po poprzednich doświadczeniach.
Na początek równy poziom
Najpierw zastanówmy się nad sytuacją, w której poziom wody w obu strzykawkach już się wyrównał. Obie strzykawki z łączącym je wężykiem tworzą jedno naczynie wypełnione wodą. W takim naczyniu występuje ciśnienie hydrostatyczne zależne od głębokości od powierzchni wody.
Właśnie – zależy ono tylko od głębokości, a nie od kształtu naczynia. Zauważ, że w rozważaniach podczas doświadczenia F04 nic nie mówiliśmy o kształcie butelki – i mimo, że butelka przecież nie była tak samo szeroka na każdej wysokości, to nie wpływało to na wzrost ciśnienia hydrostatycznego – zależał on tylko od głębokości. Jeżeli przypomnisz sobie prawo Pascala (doświadczenie F03), to powinieneś się już powoli domyślać, dlaczego tak jest. Zgodnie z prawem Pascala, ciśnienie w naczyniu jest wszędzie takie samo, …i tak by rzeczywiście było, gdyby nie grawitacja Ziemi. To ona powoduje, że im głębiej się zanurzymy, tym większe jest ciśnienie. Ale przecież grawitacja działa tylko w dół, a nie na boki – dlatego właśnie ciśnienie w naczyniu wzrasta wraz z zagłębianiem się w cieczy, ale jest takie samo na danej głębokości – niezależnie od tego, ile przesuniemy się w lewo czy w prawo. Nie ma więc znaczenia, jak szerokie jest naczynie na danej głębokości.
Możemy więc przesunąć się w bok z jednej strzykawki aż do sąsiedniej strzykawki. Ponieważ są one jednym połączonym naczyniem, to na danym poziomie (głębokości) ciśnienie w cieczy będzie takie samo. Jeśli już mamy wyrównany poziom wody w obu strzykawkach, to możemy być pewni, że ciśnienie cieczy na powierzchni (miejscu styku z powietrzem) w obu strzykawkach jest takie samo – jest po prostu równe ciśnieniu powietrza (atmosferycznemu).
Ale dlaczego poziomy wody się wyrównują?
Zastanów się teraz, co się dzieje, gdy poziomy cieczy są w strzykawkach różne. Załóżmy, że w pierwszej strzykawce poziom wody jest nieco wyższy, niż w drugiej. Podzielmy sobie w wyobraźni taką sytuację na dwie: najpierw wodę w obu strzykawkach na tym samym poziomie (tak jak to już sobie opisaliśmy) i potem „dodatkową” wodę w tej pierwszej strzykawce – tę wodę, która „wystaje” ponad poziom równy poziomowi wody w drugiej strzykawce.
Ta dodatkowa woda naciska na wodę znajdującą się poniżej. Działa ona jak wciskany tłok w doświadczeniu F03, gdzie przepychaliście tłoki w połączonych strzykawkach. W tej drugiej strzykawce nie ma „dodatkowej” wody. Co prawda na wodę w drugiej strzykawce napiera powietrze ciśnieniem atmosferycznym, ale tak samo powietrze napiera na wodę w tej pierwszej strzykawce, więc sam napór powietrza nie wystarczy, aby przeciwdziałać napieraniu „dodatkowej” wody z pierwszej strzykawki. „Dodatkowa” woda będzie – jak tłok - przepychać całą wodę ze strzykawki pierwszej do strzykawki drugiej.
Ta sytuacja będzie trwać do czasu, aż poziomy wody w obu strzykawkach się wyrównają i w żadnej ze strzykawek nie będzie „dodatkowej” wody ponad poziom wody z drugiej strzykawki. I to już cała tajemnica.
Właśnie dlatego woda w każdym naczyniu – również na jeziorze czy na morzu, zawsze dąży do tego, aby znajdować się na tym samym poziomie. Po prostu jest to jedno wielkie naczynie. Dlatego poziom morza jest dobrym poziomem, względem którego mierzymy wysokość lądu. Podawanie wysokości góry jako ileś metrów „nad poziomem morza” jest konsekwencją prawa Pascala i grawitacji Ziemi.
Zastosowania praktyczne
Efekty związane z naczyniami połączonymi i wyrównywaniem się w nich poziomów wykorzystujemy w wielu sytuacjach.
Tak działają śluzy wodne: statek może przepłynąć z jeziora położonego niżej do jeziora położonego wyżej lub odwrotnie i to bez żadnego wielkiego wysiłku z naszej strony związanego z jego podnoszeniem lub opuszczaniem. W śluzie po prostu następuje połączenie naczyń i wyrównanie poziomów wody.
Dzięki tym efektom produkuje się dzisiaj super gładkie szyby, które mamy w oknach. Płynne szkło jest wylewane na płynny metal - na przykład roztopioną cynę. Roztopiony metal – jako ciecz – tworzy bardzo gładką powierzchnię (wyrównuje swój poziom!). Z kolei roztopione szkło wylane na roztopiony metal również tworzy kolejną bardzo gładką powierzchnię. Po zastygnięciu szkła taka tafla szkła jest zatem super gładka z obu stron - od spodu i od góry. Nazywa się to technologią float.
Budowniczy w ten sposób uzyskują również bardzo gładkie i poziome podłogi – wylewają dosyć rzadką masę – tak zwaną wylewkę samopoziomującą, która następnie wysycha i robi się twarda.
No i oczywiście lodowisko – to przecież zamarznięta tafla wody, która przed zamarznięciem była cieczą i się idealnie sama wypoziomowała.
****
Więcej o naczyniach połączonych możesz przeczytać tu (pod koniec rozdziału): https://zpe.gov.pl/a/cisnienie-cisnienie-hydrostatyczne-i-atmosferyczne/D1EJ4ROjf
Działanie śluzy na Mazurach możesz zobaczyć tu: https://www.youtube.com/watch?v=hSaLt7uGORs
O technologii float produkcji szyb możesz obejrzeć na przykład tu: https://www.youtube.com/watch?v=JMGkbrETU8M
O budowaniu gładkiej podłogi możesz obejrzeć tu: https://www.youtube.com/watch?v=n9pv1XtcSWg