FyzWeb  články
Novinky Kalendář Články Odpovědna Pokusy a materiály Exkurze Výročí Odkazy Kontakty
 


Licence Creative Commons (Uveďte autora - Nevyužívejte komerčně - Zachovejte licenci)
Rychloběžné video – rozbíjíme věci2011-08-05 

Touhu rozbíjet věcí máme v sobě zakódovánu patrně velmi hluboko. Už malé děti zkouší ničit předměty kolem sebe a zajímá je, „jak to vypadá když". V pátém dílu seriálu se vrátíme do dětství a podíváme se, jak se věci rozbíjejí.

Propíchnutí balonku

Jak dopadne pružná membrána - stěna balonku - pokud ji na jednom místě porušíme například špendlíkem, nám obyčejné video neukáže - děj je příliš rychlý. I frekvence snímání 1200 FPS je na hraně toho, co bychom si přáli vidět.

Natočené klipy ukazují jednak propíchnutí prázdného balonku, jednak propíchnutí balonku plného vody. V obou případech můžeme pozorovat podobný charakter děje: Pružná stěna balonku se od místa porušení okamžitě začne všemi směry smršťovat a to ve směru, který stěna původně měla, balonek se nesmrští doprostřed, ale je gumou „oběhnut". Můžeme tedy ukázat, že síla ve stěně působí „v povrchu", ne směrem dovnitř.

Dvojitý průstřel vejce

Pascalův zákon (a nebo také důsledky tlakové vlny) můžeme demonstrovat poněkud netradičním experimentem - výstřelem na syrové a případně i vařené vejce ze vzduchové pušky [1]. Tento experiment si studenti většinou pamatují, jednak pro nezvyklou situaci, ve které se učitel nachází, jednak pro překvapivý výsledek experimentu. Syrové vejce totiž, když je zasaženo diabolkou, se okamžitě celé roztříští a rozletí do všech směrů.

Průběh experimentu ještě více vynikne, když ho zachytíme rychloběžnou kamerou. Diabolku samotnou v záznamu nevidíme, je příliš rychlá a malá, takže ji kamera nezachytí. Vidíme ale, že vejce vybuchuje skutečně celé najednou a do všech směrů. Vysvětlení nám dá Pascalův zákon: Při nárazu vysokou rychlostí na vaječnou skořápku vytvoří diabolka v kapalině vaječného bílku rázovou vlnu a následně vysoký tlak. Podle Pascalova zákona se tlak vyvolaný vnější silou objeví okamžitě ve všech místech nestlačitelné kapaliny, což znamená, že kapalina bílku udeří současně na všechna místa skořápky a vejce vybuchne. Kdybychom chtěli být ještě přesnější, mohli bychom mluvit o malé stlačitelnosti kapaliny a tlakové vlně šířící se v ní rychlostí zvuku.

 

Vařené vejce se naproti tomu roztříští pouze v místě průstřelu a případně pod ním, horní strana ale zůstane zcela neporušena, neboť vařená vaječná hmota je pevná a pružná a tlakovou vlnu v dostatečné intenzitě nepřenese.

 

Vodní kladivo

Pokus zvaný „Vodní kladivo" [2] používaný pro ukázku setrvačnosti je dalším z těch, které si studenti zapamatují. Do lahve od vína nalijeme cca 0,5 litru vody, zazátkujeme ji a zátku seřízneme na úroveň hrdla. Pak gumovou paličkou udeříme shora na hrdlo lahve, a pokud se úder zdaří, lahvi upadne dno.

Tento experiment bývá obvykle vysvětlován tak, že v lahvi se rychlostí zvuku přenese informace o úderu a lahev se celá dá do pohybu dolu. Voda uvnitř ale není s lahví nijak pevně spojena, proto díky setrvačnosti zůstává ve své poloze a v důsledku toho vznikne mezi vodou a dnem lahve prostor o velmi nízkém tlaku („skorovakuum"). Vzápětí se láhev zastaví, zatímco tlak vzduchu nad hladinou vodu prudce přitlačí ke dnu. Nápor pohybujícího se vodního tělesa pak dno urazí.

Podívejme se nyní, co ukáže rychloběžná kamera. Udělat dobrý snímek tohoto jevu není jednoduché, především kvůli malému rozlišení, tedy zabírané ploše, požadavku na detail ve snímku a pohyb lahve. Nicméně, po několika pokusech se nám může podařit. Vhodná pro natáčení je láhev se silnými stěnami, která vydrží i mocný úder, a tak se děj před uražením dna zvýrazní.

 

Při krokování snímků se přibližně na pět milisekund objeví u dna bublinky (nikoliv souvislý prostor), které rychle zanikají, a následně se dno utrhne. Domníváme se, že po úderu dojde u dna ke snížení tlaku a následnému jevu kavitace [3]. Jde o vznik bublin vakua, resp. vodních par, které rychle implozí zanikají. Při implozi vznikají rázové vlny, které urazí dno. Podobné rázové vlny dokážou narušovat i ocelové lopatky turbín či čerpadel.

Zdroje a odkazy

[1]     J. Brockmeyerová-Fenclová, Z. Drozd: Pokusy s vejci, in Veletrh nápadů učitelů fyziky 1, Praha 1996, online http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/Veletrh_01/01_05_Brockmeyerova_Drozd.html

[2]     A. Caletka: Dva pokusy, in Veletrh nápadů učitelů fyziky 1, Praha 1996, online http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/Veletrh_01/01_06_Caletka.html

[3]     J. Koupil. V. Vícha: 1200 FPS, in Veletrh nápadů učitelů fyziky 15, Praha 2010, v tisku

Použitá videa ke stažení

Další již zvěřejněné díly seriálu

Autory seriálu jsou RNDr. Jan Koupil a RNDr. Vladimír Vícha.





Doporučit článek

Od:
Komu:
Antispam: