|
FyzWeb články |
||||
Ve dnešním, třetím dílu seriálu 1200 fyzikálních snímků za sekundu se podíváme na experimenty, ve kterých rychle hoří palivo, a zjistíme, co nám rychloběžná kamera ukáže a co už ne. Start modelové rakety na lihový pohonVelmi efektním pokusem vhodným pro předvedení před žáky je raketa na lihový pohon. Její konstrukci popisoval Z. Polák na konferenci Veletrh nápadů učitelů fyziky 7. Jde o obyčejnou PET lahev, které do víčka vyvrtáme otvor o průměru cca 5 mm. Do lahve nalijeme malé množství lihu, necháme odpařit a poté přebytečný líh slijeme zpět. Když k trysce (tzn. otvoru ve víčku) nyní přiložíme hořící sirku, dojde k zapálení par lihu, prudkému nárůstu objemu horkého plynu uvnitř a jeho unikání ven tryskou. V důsledku zákona zachování hybnosti se pak raketa začne s výrazným syčením prudce pohybovat vpřed a působivě demonstruje princip reaktivního motoru. Protože rychlost rakety není malá a není možné řídit směr, kterým se bude pohybovat, opatřili jsme ji ještě drátěnými oky, kterými ji připevňujeme na závěs na vodorovnou tyč. Raketa pak místo toho, aby odletěla vpřed, tyč několikrát obtočí. Videozáznam ukáže celý start podrobně a umožní nám proměřit pohyb rakety v prvních několika okamžicích startu. Start rakety byl natáčen při malém osvětlení proto, aby bylo pozorovatelné hoření paliva uvnitř, následně pak byl na obraz aplikován filtr zvyšující jas a kontrast obrazu tak, aby bylo lépe vidět kontury obrazu. Ke kalibraci obrazu ve videoanalýze posloužila samotná láhev – její délka je 30 cm.
Graf 1: Závislost polohy lahve na čase Modré křížky v grafu 1 vyznačují polohu lahve v jednotlivých časových okamžicích. Do grafu je také proložena parabola, protože ale průběh celého děje není přesně parabolický, je proložena až od určitého pozdějšího časového okamžiku (cca 0,06 s), kdy již model rovnoměrně zrychleného pohybu vyhovuje dobře. Z parametrů této křivky můžeme dopočíst, že zrychlení lahve je 123 m·s-2, tedy přibližně 12,5 g. Velmi zajímavé je také pozorovat hoření lihových par uvnitř lahve. Pozorování pouhým okem totiž svádí k představě, že v lahvi nastane výbuch, ve kterém veškeré palivo shoří najednou a pak už jen vychází horké spaliny. Videozáznam nám ale umožňuje pozorovat postupné prohořívání. Pokusili jsme se zachytit také polohu „čela plamene“ a vynést ji do grafu 2.
Graf 2: Poloha lahve a prohořívání lihových par
Oranžové křížky v grafu představují polohu čela plamene měřenou vzhledem k hrdlu lahve – jsou tedy měřeny v (neinerciální) soustavě zrychlující lahve. Vidíme, že v této soustavě plamen hoří zhruba konstantní rychlostí o velikosti přibližně 2,3 m·s-1. Dalším námětem zkoumání by mohlo být zjištění, zda okamžik, od kterého již láhev zrychluje rovnoměrně, nějak souvisí například s její geometrií – například zda nejde o chvíli, kdy plamen dosáhne do míst, kde končí hrdlo a láhev má dál už konstantní průměr. Tato hypotéza se ale nepotvrdila, okamžik, ve kterém začíná v grafu nahoře proložená parabola, je vidět na fotografii, a nezdá se, že šlo o okamžik jakkoli významný. Výbušný motor
Možná ve škole máte vyrobenu jednoduchou pomůcku pro demonstraci činnosti výbušného motoru, kterou popisoval M. Jílek na konferenci Veletrh nápadů učitelů fyziky 7 a je popsána na stránkách fyzikálních kroužků na serveru FyzWeb Jedná se o filmovou krabičku, jejíž víčko je připevněno k podložce a jsou do něj přivedeny vývody z piezoelektrického zapalovače. Při stisknutí zapalovače přeskočí mezi kontakty jiskra, a pokud je na víčku položeno tělo krabičky s malým množstvím lihu (hoří jen páry lihu), pak nastane hlasitý výbuch a krabička prudce odletí. Tato demonstrace je pro studenty velmi efektní a přesvědčivá, pokud se jedná o množství energie uvolněné výbuchem / spálením lihu.
Pohyb krabičky je pro stanovení rychlosti pomocí běžné kamery příliš rychlý, s rychloběžnou kamerou jsme ale schopni rychlost přímo změřit. Jas a kontrast obrazu přiloženého videa byl upraven tak, aby bylo možné lépe provést videoanalýzu. Pro kalibraci rozměrů obrazu použijeme samotnou filmovou krabičku – její výška je 50 mm. Výsledky jednoho měření jsou zaznamenány do grafu 3, kde r je vzdálenost geometrického středu snímku krabičky, tedy přibližně těžiště, od jeho počáteční polohy. Vidíme, že krabička je nejprve na jednom místě a pak zdánlivě bez jakékoli fáze zrychlení přímo získává plnou rychlost. Na takto malém úseku se nemá ještě možnost měřitelně projevit působení tíhové zrychlení, takže v grafu vidíme rovnoměrný pohyb. V tomto konkrétním měření se krabička po výbuchu pohybovala rychlostí 15,7 m·s-1, tedy 56 km·h-1. Při opakovaných měřeních zjistíme, že se průběh experimentu ani naměřené rychlosti příliš neliší. (Rozdíly jsou v rozsahu do cca 10%.)
Graf 3: Start krabičky po výbuchu par lihu To, že nepozorujeme postupné zrychlování krabičky, znamená, že musela získat rychlost v čase menším, než je trvání jednoho snímku, tedy asi 0,83 milisekundy. Zrychlení krabičky potom musí být přinejmenším 18700 což odpovídá hodnotě 1915 g. Takový děj si již zaslouží pojmenování výbuch. Rychlost jiskry
Použitá videa ke stažení
Další již zvěřejněné díly seriálu
Autory seriálu jsou RNDr. Jan Koupil a RNDr. Vladimír Vícha. | ||||
Natáčení výbuchu s filmovou krabičkou v temné místnosti nás může inspirovat k tomu, zda se nám podaří zachytit i přeskočení jiskry mezi vývody ze zapalovače. (Vývody jsou vzdáleny cca 4 mm). Bohužel je ale tento děj příliš rychlý na to, abychom ho pozorovali jako děj. V záznamu nám zbude pouze exponovaná celá stopa mezi kontakty (viz obrázek) a tak můžeme říci jen to, že přeskočení proběhne v čase kratším než 0,83 ms.