Fyzika na scéně exploratorium pro žáky základních a středních škol reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/ KULINÁŘSKÁ FYZIKA.

Transkript

1 Fyzika na scéně exploratorium pro žáky základních a středních škol reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/ KULINÁŘSKÁ FYZIKA Renata Holubová Olomouc 2012

2 Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Zvyšování kvality ve vzdělávání Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.04/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. První vydání Gymnázium Olomouc, Čajkovského 9, 2012 ISBN (Repronis)

3 Obsah Technické pomůcky používané v kuchyni 5 Chladničky a mrazničky 28 Papinův tlakový hrnec 34 Vybrané potraviny v kulinářské fyzice 37 Pokusy s ostatními pomůckami 61 3

4

5 Technické pomůcky používané v kuchyni Kulinářská fyzika je mezioborová vědní disciplína, která využívá poznatků fyziky, chemie, biologie, lékařství, matematiky a techniky. Kulinářská fyzika studuje teorii přípravy potravin, fyzikální a chemické procesy, které probíhají během různých úprav pokrmů. Součástí kulinářské fyziky je i studium technického zázemí, neboť bez vynálezů z oblasti fyziky a techniky, které využíváme v kuchyni, by nebyla kuchyně taková, jako ji známe z každodenního života. Součástí kulinářské fyziky jsou také poznatky o výživě, složení potravin, jejich energetické hodnotě a zdravém způsobu stravování. Mikrovlnná trouba Mikrovlnná trouba byla objevena náhodně při experimentech s radary. Objev využití mikrovln k ohřevu je připisován Američanu Percymu Spencerovi (1946). Při pokusech s magnetronem zjistil, že se mu v kapse roztavily bonbóny. Když k magnetronu přiblížil kukuřici, došlo k jejímu puknutí. Dr. Spenser pochopil, že by takto šly ohřívat nejrůznější pokrmy. Svůj objev si nechal patentovat a již v roce 1947 byla zahájena výroba prvních mikrovlnných trub. Ve svých začátcích byl magnetron chlazen vodou, ohřívací komora svou výškou připomínala šatník. Cena dosahovala 5000 dolarů. Pro běžné využití v domácnosti byl tento typ nevýhodný, drahý, pro domácnosti bylo třeba vyvinout mnohem menší prototyp zařízení. Chlazení vodou bylo nahrazeno chlazením pomocí vzduchu. Výroba tohoto nového typu mikrovlnné trouby byla zahájena v roce Cena těchto trub se pohybovala kolem 1300 dolarů. Největší rozvoj používání této techniky byl zaznamenán v 60. a 70. letech 20. století, cena trub klesla na pouhých 500 dolarů. Trouby byly nejvíce používány na rozmrazování potravin. U nás mikrovlnnou troubu dnes používá přes 50 % domácností, v Americe dokonce 90%. Výroba trub musí splňovat velmi přísné bezpečnostní požadavky týkající se intenzity záření a zamezení jeho úniku do volného prostoru. Odhaduje se, že v provozu je více než 200 milionů kusů mikrovlnných trub. Z historického pohledu je dále zajímavé, že teorie týkající se schopnosti elektromagnetických vln centimetrové délky ohřívat vodu byly známy ještě před experimentálním ověřením tohoto jevu. Kvantitativní popis předložil Paul Debye, který odvodil rovnice, které dnes nesou jeho jméno (Debyeovy rovnice). 5

6 Popisují závislost reálné a komplexní složky relativní permitivity na frekvenci záření. Princip činnosti mikrovlnné trouby Běžné mikrovlnné trouby v domácnostech používají frekvenci MHz a pracují s výkonem od 500 W do W. Mikrovlny jsou generovány magnetronem a po zapnutí jsou rozptylovány do všech směrů. Při jejich dopadu na kovové stěny mikrovlnné trouby se odrážejí a potraviny vložené do trouby absorbují jejich energii. Na rozdíl od elektromagnetického vlnění jiných vlnových délek, např. světla, které neproniká pod povrch látek, na které dopadá, dokáží mikrovlny proniknout hluboko pod povrch látky. Vzhledem ke struktuře molekul vody jsou tyto molekuly extrémně citlivé vůči dopadajícímu mikrovlnnému záření, rozkmitají se a látka se zahřívá. V důsledku odrazů vln od stěn, vzniká uvnitř prostoru stojaté vlnění, tedy místa, kde jsou kmitny a uzly. V místě kmiten je zahřátí látky největší, v místě uzlů prakticky nulové. Pro rovnoměrné prohřátí se proto látka umisťuje na otočný talíř. Obr. 1 Řez mikrovlnnou troubou (1 vysokofrekvenční zdroj, 2 magnetron, 3 vlnovod, 4 rozptylovač mikrovln, 5,6 varný prostor) Mikrovlny vyzařuje do vlnovodu krátká vysílací anténa na magnetronu nebo invertoru. Tato vysílací elektronka je napájena vysokonapěťovým transformátorem. Vlny vstupují vlnovodem do vnitřní komory trouby okénkem přes otáčející se hliníkovou vrtulku (vířiče vln), který je odráží do nejrůznějších směrů, z nichž se pak dále tisíckrát odrážejí o její lesklé stěny. Vrtulka se otáčí přibližně 50krát za minutu proudem vzduchu, který prohání kolem magnetronu a transformátoru vrtulka ventilátoru, starající se o jejich ochlazení. 6

7 Obr. 2 Vnější pohled na mikrovlnnou troubu (1 bezpečnostní zámek, 2 sklo dvířek, 3 větrací otvory, 4 vypínač mikrovlnky, 5 časovač, 6 tlačítko otevírání dveří, 7 náhon otočného talíře, 8 otočný talíř) Obr. 3 Magnetron Obr. 4, 5 Pohled na magnetron shora 7

8 Co jsou mikrovlny? Mikrovlny představují velmi krátké elektromagnetické centimetrové vlny s vlnovou délkou asi 12,5 cm, které se šíří rychlostí světla. Vysílačem vln jsou speciální druhy elektronek tzv. magnetrony, popř. novější invertory. V magnetronu se elektrická energie přeměňuje na energii elektromagnetického záření. Jak název napovídá, hlavní část magnetronu tvoří prstencový magnet, do něhož je vložena trubice (vakuovaná) se žhavicí katodou a rezonanční komory. Magnetron je napájen vysokofrekvenčním zdrojem. Žhavicí katoda pracuje pod napětím řádově voltů, anoda magnetronu má napětí několik tisíc voltů. Ze žhavicí katody se uvolňují elektrony, které se pohybují směrem k anodě, ale vlivem magnetického pole se jejich trajektorie zakřivuje a stává se kruhovou. Vysokofrekvenční kmity jsou indukovány uvolněnými elektrony v rezonančních komorách. V tomto uspořádání hodnota frekvence kolísá. Existuje uspořádání, které generuje vysokofrekvenční kmity s definovanou frekvencí tzv. klystron. Mikrovlny jsou vlnovodem odváděny k prostoru, kde jsou rozptýleny tak, aby pole uvnitř rezonátoru bylo pokud možno homogenní. Magnetrony pracují s kontinuálním výkonem jen při nastavení plného výkonu a při nastavení nižších stupňů pracují impulzně se střídavým zapínáním a vypínáním, zatímco invertory vyzařují nepřetržitý regulovatelný výkon. Invertor je rozměrově menší, což umožnilo zvětšení prostoru komory pro ohřívání a vaření. Mikrovlny se hojně užívají pro vysílání televize, v radarech pro navigaci či pro telekomunikaci, zahrnující mobilní telefony. Mikrovlny se šíří prostorem, odrážejí se od předmětů a jsou pohlcovány materiály, které obsahují vodu, například potraviny. Takto pohlcená mikrovlnná energie se následně mění v teplo. Bezpečnost a rizika mikrovlnné trouby Konstrukce mikrovlnných trub zajišťuje, že mikrovlny jsou uzavřeny uvnitř trouby a mohou být zapnuty, jen když jsou zavřená dvířka trouby a současně je zapnut elektrický spínač. Pronikání vln spáry u dvířek je omezené konstrukcí tak, že úroveň vyzařování je bezpečně pod hodnotami doporučenými mezinárodními standardy. Ohřívání potravin v mikrovlnné troubě má svá specifika. Při varu vody na obyčejném sporáku pára samovolně odchází bublinkami v kapalině. V mikrovlnné troubě však na povrchu nemusejí být žádné bublinky, voda se může přehřát a náhle vzkypět. Var vody může být vyvolán byť jen 8

9 jedinou bublinou v kapalině, či vniknutím cizího tělesa, například lžíce. V mnoha případech se lidé s kontaktem s přehřátou vodou těžce popálili. Dále se nedoporučuje mikrovlnnou troubu zapínat bez vložené potraviny. V prázdném prostoru by došlo k odrážení mikrovln od stěn a jejich zpětnému vrácení k magnetronu, což by jej mohlo vážně poškodit. Další zvláštností mikrovlnných trub je různý příjem tepla u různých potravin. Potraviny jsou složeny ze surovin, které se různě rychle ohřívají a v důsledku velkých teplotních rozdílů mohou vybuchnout. To se například může stát u vajec či ořechů, které jsou vloženy do mikrovlnné trouby ve svém přirozeném obalu, ve skořápce. Jídlo připravené v mikrovlnné troubě je stejně bezpečné jako potravina připravená v obyčejné troubě. Zároveň nedochází ke ztrátě vitamínů a její výživové hodnoty. Největším rozdílem mezi sporákem či obyčejnou troubou a mikrovlnnou troubou je rychlost ohřevu, neboť mikrovlnná energie proniká do potraviny hlouběji, a tím zkracuje dobu potřebnou k jejímu ohřevu. Mikrovlny se absorbují jen v zahřívané potravině a nikoliv v celém prostoru trouby. Pokuste se odpovědět (převzato z publikace [1]): 1. Z jakého důvodu se v mikrovlnné troubě porcelánové či plastové nádobí přímo neohřívá? U těchto materiálů dochází pouze k nepřímému zahřátí od pokrmů, které obsahují vodu. Frekvence zdroje mikrovlnného záření je volena tak, aby záření rezonančně rozkmitávalo co nejvíce právě molekuly vody, a tím jim předávalo svoji energii. Nevodiče neobsahující vodu toto záření téměř nepohlcují, a proto se v mikrovlnné troubě téměř neohřívají. 2. Proč nemůžeme v mikrovlnné troubě používat kovové nádobí? Proč na okrajích pozlacených talířů vzniká jiskření? Vložením elektrického vodiče do mikrovlnné trouby bude docházet ke vzniku indukovaných proudů v tomto vodiči. Tyto proudy například způsobují jiskření v místech přerušení pozlacení talířů. Jiskřičky jsou výboje uzavírající přerušený kruhový elektrický obvod indukovaných proudů. Mikrovlnnou troubu si můžeme představit jako transformátor, jehož primárním vinutím je mikrovlnný zdroj a sekundárním v troubě umístěné vodivé těleso. Vyvoláním vířivých 9

10 proudů ve vodiči elektromagnetickým vlněním se zvýší výkon a zatížení mikrovlnného zdroje, a tím může dojít až k jeho poškození. 3. Jaká je hlavní výhoda mikrovlnné trouby při ohřevu či vaření potravin? Mikrovlnná trouba ohřívá pouze pokrm a tepelné ztráty jsou oproti klasickému ohřívání mnohem menší. Pokusy s mikrovlnnou troubou Základní vlastnosti mikrovlnného ohřevu a rozložení kmiten a uzlů ve varném prostoru mikrovlnné trouby. Pomocí mikrovlnné trouby lze demonstrovat vznik plazmového výboje. Zařazení experimentů do učiva fyziky: - demonstrace Faradayova zákona elektromagnetické indukce a objasnění vzniku Foucaultových vířivých proudů (CD) (SŠ učivo Elektřina a magnetismus), - elektrické výboje v plynech (žárovka, grafitový generátor plazmatu apod.), - stojaté vlnění, - elektrický proud v kapalinách, - mezipředmětové vztahy fyzika chemie, - moderní technika aplikace mikrovlnného ohřevu v různých procesech. Srovnání zahřívání vody a oleje Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice, olej, voda Provedení: Odměříme 100 ml vody a stejné množství oleje a nalijeme je do dvou stejných sklenic. Počáteční teplota obou kapalin je stejná, např. pokojová teplota. Postavíme je na otočný talíř naproti sobě do stejné vzdálenosti od okraje talíře. Výkon trouby nastavíme na 700 W a nastavíme také dobu ohřevu, stačí 30 sekund. Po uplynutí uvedené doby ohřevu změříme teplotu obou kapalin. Měli bychom zjistit, že nárůst teploty vody je o mnoho větší, než u oleje, který svoji teplotu prakticky nezvýší. Pokus zviditelníme pomocí termokamery. 10

11 Obr. 6 Ohřev vody a oleje (Diplomová práce J. Kohouta, Plzeň 2009) Vysvětlení: Olej má přibližně nulový dipólový moment. Z fyzikálního hlediska nedochází k bipolární polarizaci, energii mikrovln absorbuje nádoba s vodou. Naproti tomu voda má velký dipólový moment, proto se ohřívá. Pozor, ale uplatňují se zde i jiné mechanismy, což ukazuje pokus další, pomocí ohřevu vody a octa. Pozor: Dáme-li do mikrovlnné trouby jen olej, energie, která není absorbována, může poškodit magnetron (přehřátí). Dbáme také na to, aby nedošlo k přehřátí vody (superheating). Možná doba ohřevu je dána vztahem t max mvcv ( tv t p ), W kde W je výkon mikrovlnné trouby, m v je hmotnost vody, c v je tepelná kapacita vody, t v je teplota varu za normálních podmínek, t p je počáteční teplota vody. Podobný pokus lze provést i pomocí vody a octa. Zde zjistíme, že ocet se ohřívá více. Ale není to dáno jen velikostí dipólového momentu. Velikost dipólového momentu octa (kyselina octová) je 5, C m, naproti tomu voda má dipólový moment větší (6, C m). Kvantitativní vyhodnocení musí vycházet z toho, že bipolární polarizace je určena imaginární složkou komplexní permitivity. Frekvence záření mikrovlnné trouby odpovídá maximu absorpce kyseliny octové. Navíc vodný roztok kyseliny octové je elektrolyt, takže určitý vliv má i mechanismus odpovědný za vodivost elektrolytu. 11

12 Chléb v mikrovlnné troubě Pomůcky: toastový chléb Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř či náhon otočného talíře. Na talíř umístíme 4 plátky toastového chleba a mikrovlnnou troubu zapneme. Dobu ohřevu nastavíme na šedesát sekund. Během provozu mikrovlnné trouby přes sklo pozorujeme průběh pokusu. Pokud nepozorujeme žádnou změnu, dobu ohřevu prodloužíme. Někdy je třeba dobu ohřevu prodloužit až na tři minuty. Pokud ucítíme pach pálícího se chleba, mikrovlnnou troubu ihned vypneme. Na plátcích chleba uvidíme na určitých místech černé spálené skvrny. Nerovnoměrný ohřev je dán charakterem mikrovlnného záření v uzavřeném prostoru mikrovlnné trouby. Tam, kde dojde k černání chleba, leží maximum vlnění, kde zůstal chléb bílý, leží minimum vlnění (uzel). Obr. 7 Vznik stojatého vlnění Obr. 8 Kmitny a uzly Abychom tedy zamezili nerovnoměrnému ohřívání potravin, umístíme chleba nebo jinou potravinu na otočný talíř. Dá se také použít kovový větráček, který umístíme hned na vstup mikrovln do trouby. Dochází k odklonu mikrovln různými směry tak, že se maxima tvoří v různých místech. Shrnutí Pokus demonstruje vznik maxim a minim vlnění při chybějícím otočném talíři. Tento experiment lze zařadit mezi domácí pokusy, k poškození mikrovlnné trouby nedochází. Pokud se troubu podaří vypnout včas, zamezíme také nepříjemnému zápachu z pálícího se chleba. Pokus demonstruje důležitost otočného talíře. Pokus je nenáročný na realizaci. 12

13 Mokrý a suchý chléb v mikrovlnné troubě Pomůcky: suchý tvrdý chléb (jeden krajíc), krajíc chleba namočený ve vodě, mikrovlnná trouba Provedení: Připravené krajíce stejné velikosti umístíme na otočný talíř v mikrovlnné troubě naproti sobě do stejné vzdálenosti od okraje talíře. Troubu nastavíme na plný výkon, nastavíme také dobu pro ohřívání, dostatečná doba je 15 sekund. Zapneme mikrovlnnou troubu. Po otevření trouby porovnáme teplotu suchého a mokrého chleba. Vysvětlení: Suchý chléb neobsahuje vodu, naproti tomu mokrý chléb má dostatek vody, která se mikrovlnné troubě zahřeje, a tím je zahřátý i mokrý chléb. Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice s vodou, faxový papír Provedení: Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě lze zjistit pomocí různých pomůcek. Můžeme v troubě rozmístit sklenice s vodou a určovat, ve kterých z nich dojde k výraznému zvýšení teploty, nebo můžeme použít např. faxový papír, který mírně navlhčíme. Pro tyto experimenty z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Použijeme-li faxový papír, je třeba jej stejnoměrně navlhčit. Do mikrovlnné trouby se vkládá hladkou stranou nahoru. Troubu zapneme na plný výkon a pozorujeme papír. Za chvíli se v určitých místech objeví tmavé skvrny. Troubu vypneme. Vysvětlení: Faxový papír černá při určité teplotě (asi 65 C). Jak bylo už řečeno, voda dobře absorbuje mikrovlny a proto tam, kde je největší amplituda intenzity proměnného elektrického pole, zahřeje se toto místo na vysokou teplotu. Papír černá. Takto lze zjistit polohu kmiten. Zobrazení elektrického pole lze zobrazit i pomocí infračervené kamery. Prostorové rozložení pole lze demonstrovat pomocí papíru, který přichytíme ke stěnám ve varném prostoru mikrovlnné trouby. Rozložení kmiten je nestejnoměrné. Měření rychlosti světla Pokus navazuje na pokus předchozí, slouží zejména k posílení představy, že všechny vlny v elektromagnetickém spektru se šíří rychlostí světla. Pomůcky: plátky toustového chleba z minulého pokusu, pravítko 13

14 Provedení: Použijeme toustový chléb z předchozího pokusu. Pomocí plastového pravítka změříme vzdálenost černých, spálených skvrn, přičemž měříme od středu jedné skvrny ke středu druhé, nejbližší skvrny. Naměřenou vzdálenost (v metrech) vynásobíme dvěma a dostaneme vlnovou délku vln mikrovlnné trouby (hodnota by se měla pohybovat okolo 0,12-0,125 metrů). K výpočtu rychlosti světla je třeba dále znát velikost frekvence mikrovln. Můžeme ji zpravidla přečíst na štítku ze zadní strany mikrovlnné trouby, jako standardní hodnotu je možné vzít MHz, neboť většina mikrovlnných trub pracuje na této frekvenci. Hodnotu převedeme na jednotku hertz. Vzorec pro výpočet rychlosti světla v mikrovlnné troubě můžeme upravit na tvar c f, kde c je rychlost světla, vlnová délka mikrovln a f frekvence mikrovln. Přesná hodnota rychlosti světla ve vakuu činí m s 1. Pokus měření rychlosti světla pomocí mikrovlnné trouby můžeme provádět také s tousty namazanými margarínem. Dbáme na to, aby byl chléb dobře namazán i v místech, kde se jednotlivé plátky chleba dotýkají. V mikrovlnné troubě je necháme tak dlouho, dokud nezpozorujeme tání margarínu. Při tomto měření jsou naměřené hodnoty méně přesné než u pokusu s obyčejným toastovým chlebem. Větší přesnosti dosáhneme, když toust s margarínem necháme v mikrovlnné troubě déle, tedy až do doby, kdy margarín začne lehce oranžovět. Poté se měření stane přesnějším. Při použití toustu bez margarínu (tabulka 1) byla doba potřebná ke zjištění rychlosti světla 3 minuty, při použití toustu s margarínem (tabulka 2) byla potřebná doba 4 minuty. Doba sice je delší, ale předejdeme riziku zápachu spáleného chleba. Tabulka 1. Výsledky měření při konkrétním pokusu suchý toast Pokus /2 m m c m s 1 1 0,06 0,120 2, ,063 0,126 3, ,062 0,124 3, ,61 0,122 2,

15 Tabulka 2. Toust namazaný margarínem Pokus /2 m m c m s 1 1 0,064 0,128 3, ,059 0,118 2, ,063 0,126 3, ,063 0,126 3, Pokus můžeme provádět i s použitím dalších surovin, například čokolády, plátkového sýra. Shrnutí: Z výsledku je patrné, že měření rychlostí světla touto cestou je vcelku přesné. Malé nepřesnosti mohou být způsobené nepřesným měřením vzdáleností mezi jednotlivými tmavými skvrnami. Obr. 9 Poloha kmiten při zahřátí toastového chleba Obr. 10 Měření vzdálenosti dvou kmiten Přesné určení rozložení kmiten v mikrovlnné troubě je dosti obtížné, protože pole má prostorové rozložení a poloha kmiten není ve stejné výšce nade dnem trouby. Předem tedy musíme získat představu o prostorovém rozložení elektrického pole. Můžeme k tomu použít již zmíněný faxový papír, který budeme postupně zvedat v prostoru trouby přibližně po 0,5 cm. Analýzou obrázků můžeme potom dosti přesně stanovit polohu dvou sousedních kmiten. Jinou mož- 15

16 ností, jak získat představu o prostorovém rozložení stojatého vlnění, je použití toastového chleba, který navrstvíme na sebe a vyplníme jím podstatnou část vnitřního prostoru trouby. Přijatelné výsledky získáme pomocí velké tabulky čokolády, kterou umístíme na dno trouby (bez otočného talíře). Troubu zapneme na plný výkon. V místě kmiten se čokoláda začne topit. Obdobně lze použít i bonbóny Marshmallows. Prostorové rozložení stojatých vln lze demonstrovat i pomocí CD umístěného na stěně trouby. Po zapnutí trouby nedojde k jeho zničení. Neopakuje se tedy případ CD položeného na dno trouby. Vysvětlení: Normálová složka intenzity magnetického pole je konstantní, v rovině disku se neindukují vířivé proudy. Pokud je naopak CD umístěno v místě nenulové amplitudy magnetické indukce, dochází k časové změně magnetického indukčního toku, vznikají Foucaultovy vířivé proudy v rovině CD a disk jiskří. Rozložení kmiten lze ovlivnit pomocí velké sklenice s vodou umístěné v mikrovlnné troubě. Zopakujeme pokus s faxovým papírem a výsledky porovnáme. Malá sklenice vody (100 ml) nemá na rozložení kmiten vliv. Vznik plazmatu v mikrovlnné troubě Poznámky k fyzikálnímu principu vzniku plazmatu. Jsou možné dva způsoby vzniku. První nastává u vodivých předmětů s velkou plochou (CD). V tomto případě dochází k rychlé změně vektoru magnetické indukce, což odpovídá velké časové změně indukčního toku a podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce vzniká velké indukované napětí v rovině předmětu. Navíc je to vodič, vznikají Foucaultovy vířivé proudy velké intenzity, které zahřejí látku natolik, že dochází k termoemisi elektronů z povrchu látky. Proměnné elektrické pole tyto elektrony urychluje natolik, že mají dostatečnou energii k excitaci a ionizaci plynu. Vzniká plazmový výboj. Máme-li předměty s malým plošným obsahem, je mechanismus vzniku plazmatu odlišný. Zde se Foucaultovy proudy neuplatní, ale stěžejní je urychlení elektronů proměnným elektrickým polem, kdy elektrony získají energii převyšující výstupní práci. K ionizaci dochází vlivem srážek elektronů a molekul plynu. 16

17 CD v mikrovlnné troubě Tento pokus není vhodné provádět doma, může dojít k poškození mikrovlnné trouby. Zároveň si musíme dát pozor, aby místnost, kde pracujeme, byla dobře větraná. Pomůcky: CD bez potisku, mikrovlnná trouba Provedení: Do mikrovlnné trouby dáme nefunkční CD, nebo CD, které nepoužíváme, neboť tento pokus ho trvale zničí. CD vkládáme do mikrovlnné trouby nepotištěnou stranou nahoru. Mikrovlnnou troubu zapneme na plný výkon a nastavíme časomíru na 5 sekund. Musíme být připraveni troubu vypnout, když uvidíme, že se z CD začne kouřit. Tyto plyny jsou škodlivé při vdechnutí, proto pracujeme s troubou umístěnou poblíž otevřeného okna nebo v místnosti s dobrou cirkulací vzduchu. Pozorujeme. Po zapnutí začne CD nepravidelně jiskřit, světelné efekty jsou doplněny pro jiskření typickým praskáním. Tenká vrstva hliníku na CD je silně zahřívána, až nakonec shoří. Toto spalování začne v několika místech samovolně vznikajícími jiskrami a ve velmi krátké době se rozšíří po celé ploše CD. V umělé hmotě můžeme pozorovat charakteristické vypálené stopy. Upozornění: Obr. 11 CD v mikrovlnné troubě Výše uvedený pokus není dobré provádět ve starších mikrovlnných troubách, jsou náchylnější k poškození. Také je nebezpečné nastavit časomíru na více než 5 sekund, CD by mohlo vzplanout. CD určené k pokusu by nemělo být popsané, neboť inkoust způsobuje mohutnější kouř. 17

18 Vysvětlení: Uvedený jev je důsledkem velmi rychlých změn magnetického indukčního toku, procházejícího tenkou hliníkovou vrstvou CD. Tak je splněn předpoklad pro vznik velmi intenzivních vířivých proudů (podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce). Proto se povrch CD velmi rychle zahřívá a dochází k jiskření. Současně také dochází vypařování rozžhaveného hliníku, což má za následek vznik charakteristických obrazců v tenké hliníkové vrstvě. Jsou-li splněny podmínky k pohybu nelokalizovaných elektronů, které vyvolávají vznik elektrických proudů, dochází k emisi elektronů z povrchu CD, elektrony jsou urychleny proměnným elektrickým polem a dochází k jejich ionizaci. Proudy způsobují jiskrové vybíjení, neboť vodivost není dostačující k odvedení takto velkého množství energie. Pozorujeme plazmový výboj. Je to však až sekundární jev, jako první je pozorováno vždy jiskření, které vzniká na základě Faradayova zákona elektromagnetické indukce za vzniku vířivých proudů. Lze říci, že tento experiment může být výchozí pro další pokusy. Lze navázat pokusem s CD, kdy je přilepíme k boční stěně varného prostoru mikrovlnné trouby. V tomto případě žádné jiskření nepozorujeme. Takto je možné experimentálně ověřit platnost okrajové podmínky pro velikost vektoru magnetické indukce. CD v kádince s vodou Pomůcky: kousek CD, kádinka, studená a teplá voda, olej Provedení: Připravíme si kousky CD, dvě stejné kádinky a studenou vodu a olej. Na dno kádinek vložíme kousek CD a nalijeme do kádinky tolik vody, resp. oleje, aby kapaliny sahaly dva centimetry nad CD. Obě kádinky vložíme do mikrovlnné trouby. Nastavíme plný výkon a troubu zapneme. Pozorujeme. Pokud je v mikrovlnné troubě kádinka s olejem, pozorujeme po zapnutí trouby jiskření. Pokud je v troubě kádinka s CD ponořeném ve vodě, k jiskření nedochází. Vysvětlení: Jak bylo vysvětleno výše, studená voda dobře pohlcuje mikrovlnné záření, olej toto záření nepohlcuje. U vody se proto snižuje amplituda intenzity magnetického pole v rovině CD. Vznikající vířivé proudy nejsou natolik silné, aby zahřály hliník na povrchu CD na teplotu, která je potřebná pro vznik jiskření. U oleje k pohlcování záření nedochází, vířivé proudy jsou schopné vyvolat jiskření u CD. 18

19 V dalším kroku ponoříme kousek CD do kádinky s teplou vodou (doporučujeme teplotu asi 60 C). Situace se změní, opět pozorujeme jiskření kousku CD. Vysvětlení: Schopnost vody absorbovat mikrovlnné záření výrazně klesá s rostoucí teplotou. Z tohoto důvodu nastává situace, že u teplé vody je amplituda intenzity magnetického pole v rovině CD mnohem větší než v případě studené vody, v důsledku toho vznikají dostatečně velké vířivé proudy, které jsou schopny zahřát hliník na dostatečně vysokou teplotu. Pozorujeme jiskření. Analogií experimentu s CD je použití obalů od tuků (např. másla). Experiment probíhá podobně jako v případě CD. Obal umisťujeme do mikrovlnné trouby vnitřní stranou směrem nahoru. Troubu nezapínáme déle než na 5 sekund. Opět pozorujeme jiskření, popř. i plazmový výboj. Pokus provádíme bez otočného talíře. Z obalu samozřejmě odstraníme před zahájením pokusu papírový vnitřek. Stejně tak lze experiment provést s hliníkovou fólií (alobalem). Zde se osvědčilo na okraji fólii natrhnout. Zahřátá skleněná láhev v mikrovlnné troubě Pomůcky: skleněná láhev od piva (bez papírové etikety), mikrovlnná trouba, kádinka s vodou Provedení: Pokus provedeme ve dvou krocích. V prvním vložíme do mikrovlnné trouby studenou láhev od piva a troubu zapneme. Nepozorujeme žádný efekt, žádné jiskření. Ve druhém kroku láhev na jednom místě silně zahřejeme. (Kahan nestačí!) Mikrovlnnou troubu zapneme na maximální výkon, nastavíme čas na 30 sekund. Nezapomeneme do trouby před jejím zapnutím vložit kádinku s asi 200 ml vody. Po zapnutí trouby a po uplynutí zhruba 30 sekund pozorujeme v tom místě, které bylo intenzivně zahřáto, výboj a následně i rozžhavení skla v daném místě. Vysvětlení: Voda v mikrovlnné troubě absorbuje nespotřebované mikrovlnné záření. To by se jinak vracelo k magnetronu a mohlo by jej poškodit. Co se týče jiskřícího skla podstatou tohoto jevu je skutečnost, že při vhodném zvýšení teploty se sklo stává vodivým materiálem. Potom jsou splněny podmínky pro vznik vířivých proudů, které sklo rozžhaví. Proces je potom stejný jako v případě CD. Emitované elektrony, které jsou urychleny elektrickým polem, způsobí ionizaci a excitaci molekul plynu. Vzniká plazmový výboj. 19

20 Žárovka v mikrovlnné troubě Plazmový výboj není v tomto případě vyvolán změnami magnetického pole. Výboj vzniká přímo v důsledku působení časově proměnného pole elektrického. Pomůcky: mikrovlnná trouba, žárovka Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Výkon nastavíme na maximum. Do trouby vložíme žárovku a troubu zapneme. Po několika sekundách pozorujeme vznik plazmového výboje. Troubu okamžitě vypneme. V opačném případě by mohlo dojít k explozi, přehřál by se totiž skleněný obal žárovky. Je zajímavé, že pokud měníme místo, kam žárovku položíme, mění se barva plazmového výboje. Závisí to na velikosti amplitudy intenzity elektrického pole. Variantou tohoto experimentu je umístit žárovku na otočný talíř. Zde pozorujeme změnu barvy výboje při otáčení žárovky na talíři, podle toho, kterým místem pole právě prochází. Vysvětlení: Proměnné elektrické pole má schopnost rozžhavit vlákno žárovky. Proto je možné dosáhnout emise velkého počtu elektronů, které jsou elektrickým polem urychlovány a excitují molekuly plynu, který se nachází uvnitř skleněné baňky žárovky (argon). Pokud srovnáme délku vlákna v žárovce před pokusem a po něm, zjistíme, že část vlákna se během pokusu vlivem vysoké teploty vypařila. Žárovku lze pro daný pokus použít opakovaně, před novým pokusem je třeba žárovku nechat vychladnout. Poznámka (viz DP): Pokus se žárovkou je možné modifikovat. Můžeme např. snížit výkon mikrovlnné trouby a umístit žárovku do některé z kmitem, které jsme určili během předchozích pokusů. Oproti očekávání nebude výboj stále stejně intenzivní. Dalo by se uvažovat také o možnosti, že výboj nevznikne vůbec, protože trouba pracuje na menší výkon a intenzita pole bude nedostatečná. Většinou však pozorujeme, že výboj probíhá nějakou dobu stejně, jako v předchozím případě, kdy trouba pracovala na plný výkon, ale za chvíli vyhasne. Je to způsobeno tím, že magnetron se střídavě vypíná a zapíná, tím se reguluje výkon trouby. Nemění se intenzita generovaného vlnění. Pokud máme možnost, použijeme jiný plyn (např. neon). Pozorujeme výboj odlišného zbarvení. 20

21 Tuha v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, tuha o délce několik centimetrů (z tužky), modelína Obr. 12 Uspořádání pokusu s tuhou (převzato z [4]) Obr. 13 Plazmový výboj tuha (převzato z [4]) Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Kousek tuhy pomocí modelíny přilepíme na dno mikrovlnné trouby v místě, kde víme, že se nachází kmitna (místo s velkou amplitudou intenzity pole). Tuhu přiklopíme skleněnou nádobou kulového tvaru. Zapneme mikrovlnnou troubu a pozorujeme průběh pokusu. Vidíme značně intenzivní plazmový výboj vyplňující celý prostor nádoby. Efekt lze pozorovat relativně dlouhou dobu. Vysvětlení: Urychlené elektrony, které se uvolnily z tuhy, ionizují molekuly vzduchu. Navíc v případě skleněné nádoby tvaru koule bylo zjištěno, že plazma, které vzniká, není v přímém kontaktu se sklem. Proto se v tomto případě sklo zahřívá pomalu (Spherical Pinch effect). Chemicky se jedná o reakci kyslíku a dusíku za vzniku oxidu dusného a oxidu dusnatého. Poznámky: Vzhledem k probíhající reakci pracujte v dobře větrané místnosti. Uvedená reakce je příklad využití mikrovlnného záření, a to spouštět chemické reakce, které za normálních podmínek neprobíhají. Obor, který se zabývá touto oblastí, je tzv. plazmochemie. 21

22 Hroznové plazma Během pokusu je možné vytvořit plazma v mikrovlnné troubě pomocí pár kuliček hroznového vína. Tento pokus není vhodné provádět v mikrovlnné troubě, kterou doma používáme, může dojít k jejímu mechanickému poškození nebo dokonce k jejímu zničení. Pomůcky: hroznové víno, nožík Provedení: K realizaci pokusu potřebujeme čerstvé hroznové víno s vysokým obsahem vody. Vezmeme si 3 kuličky hroznového vína a rozkrojíme je tak, aby jejich slupka na jedné straně zůstala nenarušená. Poté je vložíme do mikrovlnné trouby a zapneme ji na plný výkon. Pozorně pozorujeme pokus již od první sekundy. Uvidíme žluté jiskření mezi dvěma polovinami hroznů. Přesun elektrického proudu Vysýchání hroznu Obr. 14 Hroznový plazmový výboj 22 Jiskření hroznu Pozor! Po vypnutí mikrovlnné trouby budou hrozny velmi horké, necháme je tedy na chvíli vychladnout a až poté je z trouby vyndáme. Necháme-li troubu dlouho běžet, může dojít k jejímu mechanickému poškození. Uvidíme-li v troubě velké zářící objekty, troubu vypneme. Vysvětlení: Mikrovlny, které zahřívají potravinu, vyrábějí mezi půlkami hroznů elektrický proud, který se přesouvá z jedné půlky do druhé a zpět. Tento proud je soustředěn v kousku slupky mezi dvěma půlkami hroznů, ta se postupně ohřívá, až vyschne. Proud se pak musí začít pohybovat ve vzduchu, kde vytváří jiskry (obr. 14). Hroznové víno má zajímavou strukturu, která je charakteristická zejména tou vlastností, že šťáva dobře vede elektrický proud. Jak je vidět na obrázcích výše,

23 pokud se půlky hroznů dotýkají, proud prochází místem tohoto dotyku, čímž se právě toto místo intenzivně zahřívá. Z tohoto místa se uvolňují elektrony, které jsou urychleny elektrickým polem a poté mohou ionizovat molekuly vzduchu. Fyzikálně chemický kvantitativní popis přesahuje rámec této publikace a je velmi složitý. Obr. 15 Plazma v mikrovlnné troubě Poznámka Jiskra je vytvořena odtrháváním elektronů z atomů elektrickým polem. Tyto elektrony se pak volně pohybují a nesou elektrický proud. Jako plazma je znám plyn s elektrony a pozitivními ionty. Tato plazma vede elektřinu a může absorbovat mikrovlny. Plazma se někdy stane dostatečně velkou na to, aby absorbovala další mikrovlny k růstu, a to může způsobit drobné popáleniny na horní straně trouby. Mezi vlastnosti plazmy patří kvazineutralita a kolektivní chování. Kvazineutralitou zajistíme, aby v látce bylo vždy stejné množství kladných a záporných částic, tímto se navenek plazma jeví jako nenabitá tekutina. Kolektivním chováním rozumíme, že plazma je schopna jako celek svými projevy generovat magnetická a elektrická pole a reagovat na ně. Shrnutí Pokus není náročný na realizaci, jeho úspěšnost je však ovlivněna řadou faktorů. Důležitá je čerstvost hroznového vína, správné nakrojení a správné umístění do mikrovlnné trouby. Výboj trvá asi 1 sekundu. 23

24 Prskavka v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, prskavka, modelína Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř a na dno postavíme prskavku. Přilepíme ji např. pomocí kousku modelíny. Nastavíme maximální výkon trouby. Po několika málo sekundách vzniká u špičky prskavky plazmový výboj, prskavka se zapálí. Troubu vypneme. Prskavka vyhoří. Drátěnka v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, drátěnka na nádobí Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Do místa, kde se nachází kmitna vlnění, položíme kousek částečně rozpletené drátěnky na nádobí. Nastavíme maximální výkon trouby. Během 5 sekund lze pozorovat plazmový výboj. Troubu vypneme. Zkoumáme-li drátěnku, objevíme spálená místa. Mýdlo v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, mýdlo, Petriho miska Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální výkon trouby. Na dno trouby do větší Petriho misky, nebo na skleněný talířek umístíme kousek mýdla. Troubu zapneme a pozorujeme změnu objemu mýdla. Pokus trvá asi 2 minuty. Vysvětlení: Během mikrovlnného ohřevu dochází při zvyšování teploty k měknutí mýdla. Zahřívá se i voda a vzduch uvnitř mýdla. Voda se vypařuje a plyn se rozpíná. Objem mýdla se zvětšuje. Bonbony Marshmallow v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, bonbóny Marshmallow Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální výkon trouby. Na dno trouby umístíme bonbony. Troubu zapneme. Bonbony se zvětšují. Proces trvá asi 20 sekund. Troubu vypneme. Po chvíli bonbony zaujmou svůj původní objem. Mění se však jejich struktura. 24

25 Vejce v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, syrové vejce, kádinky Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální výkon trouby. Na dno trouby položíme syrové vejce. Přikryjeme je skleněnou kádinkou. Krátce po zapnutí trouby dojde k výbuchu vejce. Obr. 16 Uspořádání pokusu s vejcem Vysvětlení: Numerické simulace ukazují, že při kulovém tvaru se nejvíce absorbují mikrovlny právě ve středu předmětu. Síla exploze závisí zejména na geometrickém tvaru a objemu použitého vajíčka. Podle článku M. Vollmer, K-P. Möllmann, D. Karstädt: More experiments with microwave ovens, in Physics Education 39, str , 2004 může být výbuch tak silný, že dokáže rozbít obě použité sklenice. Může dokonce dojít k otevření mikrovlnné trouby. Místo vajíčka lze použít bramboru podobného tvaru, exploze není tak výrazná. Rozmrazování v mikrovlnné troubě Zamyslete se: Roztaje dané množství ledu v mikrovlnné troubě dříve, než dosáhne stejné množství vody bodu varu? Pomůcky: led, voda, 2 sklenice, váhy Provedení: Připravíme si 2 sklenice. Do jedné z nich dáme pár kostek ledu, do druhé studenou vodu o stejné hmotnosti jakou má led. Obě sklenice dáme do mikrovlnné trouby tak, aby byly v symetrické pozici (aby měly stejnou vzdálenost od středu talíře). Zapneme mikrovlnnou troubu a sledujeme, zda 25

26 v mikrovlnce začne dřív tát led než vřít voda. Ačkoli k tání ledu potřebujeme zvýšení teploty jen o pár stupňů Celsia, voda skutečně začne vřít dřív. Vysvětlení: K dřívějšímu varu vody dochází ze dvou důvodů. První z nich je, že k tání ledu potřebujeme obrovské množství energie. Touto energií bychom ohřáli vodu o zhruba 80 C. Příčinou je uzamčení molekul v ledu silnou vodíkovou vazbou. Během tání musí dojít k roztrhnutí vazby, což odebírá hodně energie. Druhý důvod je, že led neabsorbuje mikrovlny stejně jako voda, to znamená, že se zahřívá pomaleji. Proč voda absorbuje mikrovlny lépe než led? Mikrovlnná trouba ohřívá vodu skrze mikrovlny, které jsou vyráběny na pravé straně trouby a jsou vysílány do hlavního prostoru trouby. Tam se odrážejí a vytváří stojaté vlnění (viz obr. 12). Ačkoli molekuly vody nemají celkový náboj, jejich atom kyslíku je mírně negativní a atom vodíku mírně pozitivní. V elektrickém poli se atomy začnou otáčet a přizpůsobí se mu. Pokud elektrické pole bude směřovat směrem nahoru, pak budou kladné vodíkové atomy přitahovány nahoru a záporné atomy kyslíku budou přitahovány směrem dolů, takže se molekuly otáčejí (obr. 7). Pokud pole bude směřovat naopak dolů, pak atomy kyslíku se budou snažit zvrátit jejich směr. Tyto rotace převádí energii do vody a tím ji zahřívají. Ačkoli molekuly ledu, které jsou uzamčeny do krystalové struktury vodíkovými vazbami, také cítí tyto rotační síly, otáčení by znamenalo porušení vazeb mezi molekulami. Takže se tyto molekuly jen stěží pohybují a absorbují velmi málo energie (obr. 17). Elektrický náboj molekuly vody Otáčení molekul vody Obr. 17 Molekuly vody Molekuly ledu v krystalové struktuře 26

27 Shrnutí: Dozvěděli jsme se, proč nerozmrazovat potraviny na plný výkon. Například při rozmrazování kuřete, některá jeho část rychle roztaje a voda, kterou obsahuje, bude ve formě kapalné, takže bude absorbovat mikrovlny daleko lépe, než okolní zmrzlá voda. To znamená, že část našeho kuřete bude plně uvařena, zatímco zbytek bude vlažný, nebo dokonce pořád zmrzlý. Pokus je nenáročný na realizaci, lze jej zařadit mezi domácí pokusy. Nafukovací balónek v mikrovlnné troubě Pomůcky: mikrovlnná trouba, nafukovací balónek, voda Provedení: Do balónku napustíme malé množství vody a balónek uzavřeme. Umístíme jej do mikrovlnné trouby a troubu zapneme. Pozorujeme chování balónku. Balónek zvětšuje svůj objem a zaplní celý objem varného prostoru. Troubu vypneme. Po vyjmutí z trouby se balónek po chvíli vrátí do původního stavu. Vysvětlení: Chování balónku je dáno tím, že uvnitř je trochu vody. Voda pohlcuje mikrovlnné záření, zvyšuje svoji teplotu, vypařuje se. Nafukovací balónek je pružný, zvětšuje svůj objem. Po ochlazení plyn kondenzuje, balónek zmenšuje svůj objem. Pokus lze provádět jak s otočným talířem, tak i bez něj. Co nepatří do mikrovlnné trouby? Do mikrovlnné trouby v žádném případě nepatří smaltované či kovové nádobí. Mikrovlnná energie se odráží od kovů a potraviny se nemohou stejnoměrně ohřívat, může docházet k jiskření. Také není vhodné nádobí se zlatým zdobením, broušené sklo či lakované nádobí. I některé plastové nádobí nás v mikrovlnné troubě může nemile překvapit. Většina výrobců však uvádí, v jakém rozmezí teplot se dá nádobí bez následku k ohřevu použít. Nádoby přímo určené pro mikrovlnné trouby se vlivem mikrovln nezahřívají, k jejich ohřevu dojde pouze při jejich styku s ohřívanou potravinou. I přes tato úskalí mikrovlnná trouba už snad nechybí v žádné domácnosti. Její použití zvládne po přečtení návodu každý a při respektování pravidel se nám a naší mikrovlnné troubě nemůže nic stát. 27

28 Chladničky a mrazničky Zamyslete se [1] 1. Z jakého důvodu je v chladničce umístěno chladící zařízení nahoře? Chladný vzduch klesá dolů, a tím ochlazuje celý prostor lednice. V opačném případě by byl chladný vzduch pouze v dolní části chladničky. 2. Jaké typy mrazících boxů jsou z ekonomického hlediska výhodnější? Truhlové, nebo skříňové? Truhlové, neboť při jejich otevření z nich studený vzduch nevytéká. 3. Na jakém fyzikálním principu pracuje chladnička? Princip je založen na kruhovém ději, který probíhá opačným směrem, než u tepelných motorů. U tepelných motorů koná práci při expanzi pracovní látka o vysoké teplotě. Při následné kompresi práci koná vnější síla a pracovní látka odevzdává teplo do okolí. V chladícím stroji naopak expanduje pracovní látka o nižší teplotě a odebírá teplo svému chladnému okolí (vnitřní prostor chladničky). Při kompresi koná práci její elektromotor a dochází k odevzdávání tepla trubkovému systému na zadní stěně chladničky pracovní látkou. 4. Můžeme chladničkou ochlazovat vzduch v místnosti? Pokud bude chladnička umístěna v místnosti, kterou chceme ochlazovat, tak to možné není. Dle zákona zachování energie je teplo odevzdané venkovním žebrovím větší než teplo z vnitřního prostoru odebrané o energii, která byla dodána elektromotoru k chodu ledničky. Pokud do ochlazované místnosti umístíme pouze vnitřní prostor chladničky a její zadní žebroví umístíme mimo místnost, chladnička již tento prostor ochlazovat bude. 5. Chceme-li v mrazničce kvalitně zmrazit potraviny, musí zmrazení proběhnout co nejrychleji. Z jakého důvodu? Pomalé zmrazení způsobuje pomalý nárůst velkých krystalů, jejichž příčinou je porušení buněčných stěn a při rozmrazování nadměrné uvolňování šťávy. Naopak rychlé zmrazení vede k rychlému nárůstu velkého množství menších krystalů, které už tolik neporušují buněčné stěny. 28

29 6. Potravinám v mrazničce, které nejsou uzavřeny do neprodyšného sáčku, hrozí nebezpečí silného vysychání. Proč? Se snižováním teploty rapidně klesá hustota vodní páry a sublimace ledu zde probíhá o to intenzivněji. 7. Proč musíme starší chladničky po určité době odmrazovat? Proč to novější typy nevyžadují? U starších typů dochází na chladících prvcích ledniček k desublimaci vodních par, vzniklá vrstva ledu svými účinky zeslabuje přenos tepla z vnitřního prostoru do chladícího média, a tím také zeslabuje chladící účinek. Takto vzniklý led se odstraňuje roztátím po vypnutí ledničky. U novějších typů ledniček se tvorbě ledu zabraňuje už za chodu ledničky, například nucenou cirkulací se vzduch uvnitř ledničky nechává prohánět intenzivně chlazenou destičkou, která z něj vodní páry vychytává. Funkce ledničky a mrazničky v domácnosti je jednoznačná. Slouží ke krátkodobému či dlouhodobému uchovávání potravin. V případě krátkodobého uchování využijeme ledničku, v případě dlouhodobého uchování mrazničku. Historie ledničky Chlazení potravin má dlouhou historii. Fresky v Egyptě dokládající chlazení potravin pocházejí z roku 2500 př. n. l. Podle zmínek v čínské literatuře byl v této době shromažďován led a sníh v jeskyních. Také Římané si chladili nápoje, přičemž led přiváželi z Alp. Později, když se začali stavět pivnice, bylo to vždy v místech, kde protékala voda. Od středověku byl led ukládán do komor s potravinami. Tyto komory měly velmi silné zdi a jako izolační materiál byla používána sláma. V Americe byl využíván pokles a stoupání chladného a teplého vzduchu. Potraviny byly uloženy v dolní části místnosti, led byl v části horní. Tak mohlo dojít k přirozenému proudění vzduchu, chladný vzduch odebíral teplo z uskladněných potravin v dolní části místnosti, ohřál se a stoupal vzhůru. Zde se ochladil a celý proces se opakoval. První domácí chladnička byla v podstatě plechová skříň s dvojitými stěnami, mezi stěny se umístil led, který se přivážel z hor. Led velmi rychle tál a tyto ledničky se musely plnit prakticky každý den. 29

30 Ke změně dochází v roce 1607, kdy se L. Trancredus začal zabývat chlazením nezávislým na přírodě a vyrobil první umělý led. V roce 1755 William Cullen sestrojil skříňku udržující chlad, vynález, o kterém se však nezachovaly přesnější údaje. Patent na ledničku byl udělen Francouzi Focard-Chateauovi, který sestrojil čtyři do sebe vložené skříňky s izolačními vrstvami vyplněnými ledem. Praktické využití principu chlazení je připisováno až Jacobu Perkinsovi, který v roce 1834 zjistil, že některé tekutiny se vypařováním ochlazují. Své zařízení charakterizoval slovy: Je to zařízení umožňující použít těkavé látky na chlazení a mražení jiné látky, přičemž těkavá látka kondenzuje a je možné ji v chladícím okruhu vést dále beze ztrát. Jacob Perkins však nedokázal svůj vynález ani využít, ani patentovat. Nezávisle na Perkinsovi objevil chladicí efekt také skot John Harrison žijící v Austrálii. Vytvořil projekt, podle kterého se začaly vyrábět chladničky předváděné na Mezinárodní výstavě v roce Ve stejném roce nechal v pivovaru v Bendingu ve státě Viktoria nainstalovat první chladící zařízení a zároveň vybavil chladničkami i prodejny. První ledničku pro domácnost vyrobil v r německý inženýr Karl von Linde, Obr. 18 Jakob Perkins když upravil průmyslové chladící zařízení, které vyrobil o 6 let dříve. Jako chladící médium použil čpavek. Rozšíření chladničky pro domácnosti však přinesla až elektrifikace. Domácí lednička byla na trh poprvé uvedena švédskými inženýry Balzer von Platenem a Carl Muntersem v r Na pohon kompresoru použili elektromotor a svůj model nazvali Electrolux. Jako chladící směsi bylo třeba použít látku, která má teplotu varu za normálního tlaku podstatně nižší než je pokojová teplota. Jako nejsnadněji dostupný a proto nejběžněji používaný byl čpavek. S rozvojem výroby byly hledány účinnější látky a tři velké americké firmy (Frigidaire, General Motors 30

31 a DuPont) vyvinuly nové chladicí směsi tzv. freony. Freony patří mezi skleníkové plyny, proto v roce 1995 senát USA výrobu a využití freonů zakázal. Od tohoto roku se používají náhradní směsi, dražší a méně účinné. V dnešní době jsou vyráběny chladničky kompresorové nebo absorpční, podle typu chlazení. Na první pohled je od sebe poznáme, protože kompresorové ledničky jsou po zapnutí hlučnější než ledničky absorpční, které mají tichý chod. Obr. 19 Model ledničky Elektrolux a jeho vynálezci Princip činnosti chladničky Základem je chladivo, které musí mít schopnost odpařovat se při nízkém tlaku a teplotě. Během odpařování odnímá svému okolí teplo. Jeho teplota a tlak se zvýší a chladivo kondenzuje. Při kapalnění předává svému okolí teplo. Odpařování při nízké teplotě je základem činnosti chladicích zařízení, naopak kondenzace při vyšší teplotě je základem činnosti tepelných čerpadel. Obr. 20 Chladicí okruh kompresorový (vlevo) ve srovnání s absorpčním (vpravo) 31

32 Kompresorová chladnička Starší typy kompresorových chladniček využívaly chladivo freon R134a. Jak bylo řečeno výše, freony patří mezi skleníkové plyny a jejich výroba je zakázána. Nyní se používá jako chladivo izobutan R600a. Obr. 21 Kompresorová chladnička Princip činnosti: Kompresor nasává páry chladiva z výparníku, stlačuje je a vhání do kondenzátoru, kde zkapalní. Trubkový rošt kondenzátoru část tepla vyzáří do okolí. Při průchodu plynného chladiva přes škrtící ventil (Š) dochází k prudkému snížení tlaku. Plynné chladivo se zde rozpíná na tlak původní, vypařuje se ve výparníku a teplo k tomu potřebné odebírá z vychlazeného prostoru chladničky, v níž je umístěn. Absorpční chladnička Tyto chladničky využívají absorpci, proto nedílnou součástí chladničky je absorbér. Jednotlivé části absorpční chladničky tvoří kondenzátor, absorbér (pohlcovač), výparník a vypuzovač. Chladicí kapalinou u tohoto typu chladniček je čpavek. 32

33 Chladicí kapalina se vypařuje ve výparníku, tím odnímá teplo z vychlazovaného prostoru chladničky. V absorbéru dochází k pohlcení par vodou. Při zahřívání hořákem je plynné chladivo vytěsňováno a dostává se do kondenzátoru jako horký plyn. Teplo uniká chladícími žebry do okolí, dochází ke zkapalnění chladiva. Ochlazování výparníku je zaručeno v neustále se obnovujícím okruhu, kdy čpavek s pomocí vodního okruhu se znovu vypařuje a zkapalňuje. V kondenzátoru je tlak plynu téměř čtyřnásobně vyšší, jeho vyrovnání má za úkol okruh s vodíkem (mezi absorbérem a výparníkem). Cyklus je tedy stejný, jako u kompresorových chladniček kompresor je zde nahrazen absorbérem a výparníkem. Mezi výhody těchto ledniček patří bezhlučný chod, avšak jako velká nevýhoda je zde neschopnost ochlazení vnitřního prostoru na teplotu tak nízkou jako u kompresorových chladniček, neboť mají nižší účinnost. Mrazničky Mrazničky dělíme na skříňové (zásuvkové) a truhlicové (pultové). Skříňová mraznička je vhodná pro každou domácnost, která se potřebuje předzásobit větším množstvím mražených potravin. Její kapacita se pohybuje kolem 100 litrů. Nevýhodou je, že se do ní nevejdou objemnější zásoby. Truhlicová mraznička se hodí pro každou větší domácnost, má kapacitu litrů. Její výhodou je jednak nižší cena, také větší úložný prostor a v neposlední řadě nižší spotřeba, ta souvisí s lepší izolací, neboť studený vzduch, který leží dole, při otevření téměř neuniká. 33

34 Papinův tlakový hrnec Zamyslete se [1] 1. Proč jsou suroviny v Papinově hrnci rychleji uvařeny než v hrnci obyčejném? Při varu kapaliny v neuzavřené nádobě dochází k intenzivnímu vypařování kapaliny, tím ztrácí veškerou dodanou energii a její teplota neroste. V uzavřené nádobě Papinova hrnce je nad hladinou nejenom vzduch, ale také vodní páry, takže tlak na kapalinu je vyšší než v nádobě otevřené. Suroviny tedy dosáhnou bez varu vyšší teploty, až k 120 C. 2. Po ukončení vaření v Papinově hrnci je nutné jej nejdříve zchladit, či pojistným ventilem z něj pomalu odpustit páru a až poté jej otevřít. Proč je nebezpečné otvírat hrnec silou ihned po ukončení vaření? Už jenom z důvodu vnitřního přetlaku to jde poměrně těžko, ale především by při snížení tlaku voda začala prudce vřít, dokonce by mohla z hrnce vykypět a tím nás opařit. Tlakový hrnec je tlustostěnný hrnec sloužící k vaření potravin při vyšším tlaku, než je atmosférický. Právě vyšším tlakem se dosáhne vyšší teploty vaření (za normálního tlaku je bod varu body 100 C, zatímco u vyššího tlaku je to 120 C až 130 C), a tím i rychlejšího uvaření potravin. Zároveň potraviny vařené v tlakovém hrnci mají intenzivnější chuť a jsou daleko bohatší na vitamíny. Historie Papinova hrnce Historie vzniku Papinova hrnce sahá až do 17. století, jeho princip však zůstává stále stejný. Dnešní hrnce jsou však zejména mnohem bezpečnější. Papinův hrnec byl poprvé prezentován v roce 1679, kdy francouzský matematik, fyzik a také vynálezce Denis Papin představil tlakovou nádobu určenou pro přípravu potravin. Papin si uvědomil, že stlačená vodní pára se chová jako ostatní stlačené plyny a že by její tlak mohl být při přípravě pokrmu užitečný, protože s rostoucím tlakem roste i teplota varu, takže úprava pokrmů je mnohem rychlejší a efektivnější. Pro demonstraci sestrojil jednoduchý přístroj, jehož součástí bylo závaží, které se v závislosti na tlaku pohybovalo nahoru a dolů. 34

35 Obr. 22 Papinův tlakový hrnec z roku 1890 [22] Obr. 23 Papinův hrnec Obr. 24 Současný Papinův hrnec Obr. 25 Otevřený Papinův hrnec Původní Papinovy hrnce nedokázaly připravit pokrmy běžné chuti a vůně, byly nebezpečné, neboť často docházelo k explozím. Až o padesát let později byl Papinův hrnec doplněn o tlakoměr. Přesto bylo stále vaření nebezpečné a maso připravené tímto způsobem mělo nevýraznou chuť. Průlom přinesl rok Francouz Gautier sestrojil hrnec, který opatřil pojistným ventilem. Pokud se však ventil zanesl, mohlo i v tomto případě dojít k explozi. Až v roce 1944 došlo k dalšímu zlepšení. Autory byli bratři Lescureové, kteří začali vyrábět tlakové hrnce z lisovaného hliníku s otočným ventilem a ještě dalším bezpečnostním ventilem. Poklička byla zkonstruována tak, že v případě potřeby se mohla jemně zdeformovat a tím umožnit odvod páry. V běžném provozu se hliník ukázal jako méně vhodný a byl proto nahrazen nerezovou ocelí. Oproti hliníku je ocel mnohem horším vodičem tepla než 35

36 hliník, proto došlo u výrobce ke kompromisnímu řešení na spodní část tlakového hrnce byla namontována hliníková destička, která vede teplo lépe než ocel. Další výhodou byla lepší akumulace tepla, takže hliníková destička sloužila také jako zásobárna energie. Osmdesátá léta 20. století přinesla další zjednodušení, a to postranní uzavírání spojující víko a stěny tlakového hrnce do jednoho celku. V devadesátých letech stačil k zavírání hrnce už jen jediný dotek prstem. Zároveň přibyl elektronický časovač, okénko pro kontrolu pokrmu a trojité dno. V dnešní době se vyvíjejí Papinovy hrnce s dálkovou kontrolou časovače. Pro ilustraci uvádíme níže graf závislosti teploty varu vody na tlaku. Obr. 26 Závislost teploty varu vody na tlaku Závislost teploty varu vody na tlaku je vyjádřena pomocí rovnice kde t je teplota varu v C, p je tlak v Pa. 28p t 71,6, 5 10 U této rovnice jsou odchylky v intervalu (0,9 1,075) 10 5 Pa od správné hodnoty menší než 0,1 %. V současné době je Papinův hrnec navíc vybaven tavnou pojistkou. Kdyby došlo k selhání pojistného ventilu, umožní únik páry z varného prostoru, a tím snížení tlaku. Jak již napovídá název, je tavná pojistka vyrobena z tavitelného kovu a má tvar malého kotoučku, který těsní malý otvor ve víku. Při vysoké teplotě dojde k roztavení kotoučku a pára tedy může z hrnce volně unikat. 36

37 Vybrané potraviny v kulinářské fyzice Vejce a jeho složení Vejce je rotační těleso oválného tvaru symetrické pouze podle podélné osy. Jeho zaoblení s nejmenším poloměrem křivosti se také říká špička vejce. Pod vápnitou skořápkou je blána, která drží pohromadě bílek, v němž je umístěn žloutek. Žloutek je připevněn k bláně spirálami ze zhuštěného bílku v místech jejich průsečíku s osou. Poloha žloutku je vždy taková, aby zárodečný terčík vejce byl nahoře. Na širším konci vejce, kde blána nepřiléhá zcela ke skořápce, vzniká vzduchová bublina. Její kyslík je nutný pro vývoj kuřete v oplodněném vejci. Vejce má v kuchyni nepostradatelný význam. Nenahraditelnou roli hraje při přípravě drobných svačinek, hlavních pokrmů nebo samostatných jídel. Lze ho připravovat v mnoha chuťových variacích. Jindy naopak chuťově ani nemusíme poznat, že v pokrmu, co právě jíme, se vyskytuje. Tvar vejce je elipsoidní, s jedním koncem tupějším a druhým ostřejším. Povrch skořápky může být hladký nebo drsný dle způsobu uložení skořápečných vrstev. Vejce je složeno ze skořápky, bílku a žloutku. Procentuálně můžeme vyjádřit jednotlivé zastoupení těchto složek takto: - žloutek okolo 30 % hmotnosti vejce, - bílek až 60 % hmotnosti vejce, - podskořápečné blány, - skořápka 10 % hmotnosti vejce. Vejce můžeme popsat i jiným způsobem skládá se ze 75 % vody, 12 % bílkovin, 11,5 % tuku, zbylou část tvoří bílkoviny a minerální látky. Přesnější popis ptačího vejce uvádí obrázek, který identifikuje 15 částí: Skořápka Skořápka tvoří 10 % hmotnosti vejce, z 95 % je tvořena vápníkem. Ve skořápce se nachází velké množství pórů. Může jich být až na jedno vejce. Tyto póry umožňují výměnu látek mezi vejcem a okolím. Vejce má pod skořápkou dvě blány, které obsahují vzduchové bubliny. Barva skořápky je především 37

38 přizpůsobena tak, aby byla chráněna před predátory, je ovlivněna plemennou příslušností. Především jde o barvu světle hnědou, v méně častých případech může být bílá, která se vyskytuje zejména u ptáků, kteří žijí v norách nebo dutinách stromů. Existují i vejce černá (emu), bílá s černými flíčky (ústřičník), a jiná. Tloušťka skořápky značně souvisí s velikostí vejce. Jde o to, aby unesla ptáka, který na ní sedí, ale zároveň musí být dostatečně tenká na to, aby se z ní mohlo líhnoucí ptáče dostat. Pro přísun vzduchu pro vyvíjející se zárodek slouží právě pórovitost skořápky. Jako další zdroj vzduchu slouží vzduchová komůrka, která je umístěna na tupém konci vejce. Obr. 27 Složení vejce (1 skořápka, 2 vnější papírová blána, 3 vnitřní papírová blána, 4 poutko, 5 vnější řídký bílek, 6 hustý bílek, 7 žloutková blána, 8 výživný žloutek, 9 zárodečný terčík (tvořivý žloutek + zárodek), 10 tmavý (žlutý) žloutek, 11 světlý žloutek, 12 vnitřní řídký bílek, 13 poutko, 14 vzduchová komůrka, 15 kutikula) Kutikula Kutikula, nebo také hlenovitý obal, se nachází na povrchu skořápky. Vzniká cca 10 minut před snesením vejce. Jejím hlavním cílem je usnadnit snesení vejce díky její kluzkosti. U čerstvě snesených vajec dochází k jejímu okamžitému setření, aby nedošlo k jejímu zaschnutí a následnému ucpání pórů ve skořápce. Kutikula mimo jiné přispívá také k pevnosti skořápky. Podskořápečné blány Funkcí podskořápečných blan je chránit vejce. Rozdělujeme je na vnitřní bílkovou blánu, která přiléhá k bílku, a vnější bílkovou blánu, která přiléhá ke skořápce. Po snesení vejce dochází vlivem snížení teploty k smrsknutí vaječného obsahu a tyto blanky se od sebe oddělí. Tím vzniká na tupém konci vejce vzduchová komůrka, která se se stárnutím vejce zvětšuje. Žloutek Žloutek představuje přibližně 30 % hmotnosti vejce. Obsahuje 50 % vody, 16 % bílkovin 1,7 % minerálních látek, 0,3 % sacharidů a 32 % tuku. Je nezbytný pro výživu zárodku. Má tvar zploštělé koule, jeho průměr se pohybuje 38

39 okolo mm. Na povrchu žloutku se nachází jemná blanka, nazývaná vitelinní membrána, která chrání obsah žloutku před jeho vylitím. Žloutek se skládá z několika vrstev světlého a tmavého žloutku, ty se pravidelně střídají. Světlý žloutek obsahuje více vody a bílkovin, naopak tmavý žloutek obsahuje více lipidů a pigmentu. Světlý žloutek uprostřed vejce vytváří dutinku, kterou označujeme jako latebra, představuje první výživu pro vyvíjející se zárodek. Na horní části žloutku můžeme pozorovat zárodečný terčík, který je šedobílé barvy a dosahuje velikosti kolem 2 3 mm. Vaječný žloutek je zdrojem důležitých vitamínů a minerálů. Žloutek je bohatý na biotin, vitamíny skupiny B, vitamíny skupiny E, vitamín A a vitamín D. Z minerálních látek se jedná především o železo, draslík, fosfor, zinek a selen. Bílek Bílek představuje přibližně 60 % hmotnosti vejce, z 80 % je tvořen vodou, dále obsahuje bílkoviny (11 %), sacharidy (0,7 %), minerální látky (0,7 %) a vitamíny (skupiny B). Bílek neobsahuje žádný tuk. Na žloutkovou blánu se těsně přimyká nejhustší bílek, zvaný také chalázový, který směrem k oběma pólům vejce vytváří poutka (chalázy), umožňující natáčení zárodečného terčíku k teplu samice sedící na vejcích. Tato poutka mají ještě další funkci, jde o udržení žloutku ve středu vejce. Ostatní bílek je ve vnitřní vrstvě řídký a v povrchové vrstvě hustý. Připojení bílku ke skořápce zajišťují podskořepkové blány vnější a vnitřní. Skladování vajec Vejce skladujeme v suchu a chladu. Přenášením vajec z chladu do tepla či naopak dochází k zvlhnutí skořápky a tím se stávají dobrou půdou pro bakterie. Na krátkou dobu ukládáme vejce do stojánku špičkou dolů, aby mohla dýchat, občas je však převracíme, aby nedošlo k usazení žloutku na jedné straně. Pokud chceme vejce skladovat delší dobu, můžeme je naložit. Může to být do vápna, do vodního skla či jiných konzervačních prostředků. Vaření vejce a fyzika Je známo, že při přípravě vajec, jejich vaření, nemusíme vždy dosáhnout dobrého výsledku. V horké vodě se obsah vejce a především vzduch rozpínají, a tím skořápka praskne a bílek částečně vyteče. Tomuto můžeme předejít. Stačí do plošší části vejce, tedy tam, kde má vzduchovou bublinu, udělat špendlíkem dírku. Nebo také můžeme vodu, ve které vejce vaříme, osolit, popřípadě přidat 39

40 pár kapek octa. Po osolení vody totiž zabraňují větší ionty sodíku a chlóru molekulám vody v jejich pronikání přes obaly dovnitř vejce. Po uvaření se nám také může stát, že vejce jde špatně oloupat, abychom tomuto předešli, musíme co nejrychleji po uvaření teplou vodu vyměnit za studenou. Obecně je známo, že starší vejce jdou loupat lépe než vejce čerstvá. Jak dlouho vařit vejce? Většina kuchařek uvádí následující: chceme-li vejce s tekutým žloutkem (vejce naměkko), vaříme jej 2,5 3 minuty; 4 5 minut pro středně tekutý žloutek (vejce na hniličku) a 7 9 minut pro žloutek pevný (vejce na tvrdo). Doba vaření se počítá od doby, kdy voda začne opět vřít po vložení vejce do vody, tedy kdy se ode dna odrazí první velká bublina. V případě, že je vejce menší, odečteme jednu minutu, v případě, že je větší, naopak jednu minutu přičteme. Pojďme se touhle problematikou zabývat hlouběji. Jaké jsou hlavní parametry pro správné uvaření vejce? Souvisí doba vaření například s velikostí vejce, dále s tím, je-li vejce určeno k vaření, je bráno z lednice či z místnosti o pokojové teplotě, je-li dáno do studené nebo vařící vody Stanovení doby vaření vejce z hlediska fyziky Vzorec pro výpočet doby vaření byl publikován panem doktorem Charlesem D. H. Williamsem (přednáší fyziku na univerzitě v Exeteru). Vzorec vychází z jednoduchých veličin: 2/3 vejce voda 0,451 ln 0,76 t m t t žloutek (t vejce [ C] počáteční teplota vejce, t voda [ C] teplota vody, t žloutek [ C] požadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 C a méně, vejce natvrdo 72 C a více, převážně 77 C), [min] doba vaření, m [g] hmotnost vejce) Pokud neznáme hmotnost vejce a nelze je zvážit, lze využít upravený vzorec od Petra Barhama. Vzorec pro dobu vaření vejce přejde ve tvar: t 2 voda vejce 0,0152 ln 2 t c t t voda t žloutek (t vejce [ C] počáteční teplota vejce, t voda [ C] teplota vody, t žloutek [ C] požadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 C a méně, vejce natvrdo 72 C a více, převážně 77 C), [min] doba vaření, c [cm] obvod vejce) voda 40

41 Jak probíhá proces vaření vejce Při vaření se nejdříve ohřívají bílkoviny, které se začnou srážet ve vaječný bílek. Proces srážení bílkovin nastává při teplotě 61,5 C, v tuto chvíli je bílek mléčný. Bílek se skládá převážně z bílkoviny albumin (tvoří 54 % bílku), která se sráží až při teplotě 84,5 C. Až tehdy se tedy bílek stává tuhým. Během srážení bílku není převedena žádná tepelná energie do žloutku. Tuhnutí bílku se chová jako tepelný izolant pro žloutek. Ten se začne srážet až tehdy, když je bílek zcela ztuhlý. Čas, který je potřebný k tomu, aby měl bílek teplotu 80 C, je asi 3 minuty. Následuje fáze tuhnutí. Během této fáze zůstává žloutek měkký. Čas, než bílek zcela ztuhne, je 2 3 minuty. V rozmezí C začíná žloutek hrudkovatět a my dostaneme vejce natvrdo. Tyto změny jsou uvedeny v následující tabulce: Tabulka 3: Tuhost vejce v závislosti na teplotě Teplota [ C] Bílek Žloutek 62 Začíná tuhnout, řídký Tekutý 64 Částečně tuhý Začíná tuhnout 66 Většinově tuhý Měkký 70 Částečně pevný, vláčný Měkký, tužší, voskový 80 Zpevněný Zpevněný 90 Pružný, pevný Hrudkovitý Pozor teplota varu vody závisí na nadmořské výšce. Při hladině bereme teplotu varu vody jako 100 C. S rostoucí nadmořskou výškou se teplota varu vody snižuje, konkrétně o 0,3 C na každých dalších 100 metrů výšky. Zamyslete se: Proč je doba varu vejce v sauně mnohonásobně delší než ve vodě na sporáku? V sauně je třeba vejce vařit až několik hodin. Je to dáno tím, že vejce je obklopeno vzduchem, který má téměř tisíckrát menší hustotu než voda, a proto je tepelná výměna ve vzdušném prostředí mnohem menší. Pomocí následujícího grafu můžeme vyčíst, jak se má vejce dlouho vařit. Zohledňujeme dvě kritéria: obvod vejce a váhu vejce, přičemž pracujeme s teplotou vody 100 C a teplotou vejce 4 C. 41

42 Obr. 28 Doba vaření vejce v závislosti na obvodu a hmotnosti Například má-li naše vejce obvod 14 cm a my jej chceme uvařit s naprosto tekoucím žloutkem (tedy vejce naměkko), vaříme 4 minuty 55 sekund. Budeme-li vycházet z váhy vejce, pak přiměřená doba vaření 65 g vejce bude zhruba 4 minuty 58 sekund. Na obrázku níže lze vidět, jak průřez vejce vypadá při různých teplotách. Obr. 29 Řez vejcem při různých teplotách 42

43 Experimentální část pokusy s vejci Je vejce vařené nebo syrové? Pomůcky: uvařené vejce, syrové vejce Provedení: Vařené i syrové vejce roztočíme na pevné a vodorovné podložce. Pozorujeme. Uvařené vejce se při roztočení postaví na špičku a rotuje také mnohem rychleji. Vysvětlení: Vařené vejce je na rozdíl od syrového pevné, jehož části se vůči sobě snadno pohybují. Proto vařené vejce snadněji roztočíme, dokonce při rychlém roztočení se postaví na špičku. Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než bílek, se při roztočení vychyluje ze své normální polohy, vejce se stává nestabilní a nemůže se vzpřímit. U syrového vejce je však jedna zvláštnost když jej roztočíme, na okamžik zastavíme a zase pustíme, opět se roztočí. Příčinou je platnost zákona setrvačnosti, žloutek i část bílku se nezastavily a točily se dál i přesto, že skořápka byla na okamžik v klidu. Obr. 30 Otáčející se syrové a vařené vejce Jiná možnost: Roztočených vajec se lehce dotkněte. Vařené vejce se zastaví, syrové bude pokračovat v pohybu. Úvaha: Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než bílek, se při roztočení vychyluje ze své normální polohy. Proto je vejce nestabilní a nemůže se vzpřímit. Při krátkém zabrzdění se bílek a žloutek uvnitř syrového vejce otáčí dále a přivede vejce opět do rotace. Vařené vejce se chová jako tuhé těleso a stává se z něj setrvačník. Vzhledem k jeho tvaru je přirozená jeho snaha vzpřímit se. 43

44 Vejce na nakloněné rovině Pomůcky: deska, kolejničky, syrové a vařené vejce Provedení: Připravíme si nakloněnou rovinu pomocí rovné desky. Na nakloněnou rovinu připevníme kolejničky, aby nám vejce nespadlo. Změříme čas pohybu syrového a vařeného vejce. Zjistíme, že syrové vejce bude dole dříve. Na nakloněnou rovinu lze připevnit také dvě kolejnice vedle sebe a syrové i vařené vejce pustit současně. Pozorujeme, které z nich bude na konci nakloněné roviny dříve. Vysvětlení: Tento výsledek je podmíněn stavbou vejce. Obě vejce mají na počátku stejnou energii. Ve vařeném vejci se část této energie přemění na rotační pohyb, který konají všechny jeho části. Avšak u syrového vejce rotuje při koulení pouze vnější vrstva bílku, vnitřek vejce je téměř bez rotace a koná pouze posuvný pohyb. Poznámka Při tomto pokusu bychom měli dbát na to, aby jak syrové, tak vařené vejce byly stejně velké. Před zahájením pokusu je vhodné se syrovým vejcem zatřepat, aby se bílek od skořápky uvolnil. Zároveň je pro tento pokus důležité, aby syrové vejce bylo co nejčerstvější, aby již nepřecházelo do rosolovitého stavu. Jak poznat čerstvé vejce? Pomůcky: čerstvé vejce, starší vejce, širší sklenice či kádinka, voda Obr. 31 Určení stáří vejce Provedení: Čerstvé a starší vejce vložíme do sklenice s vodou. Pozorujeme. 44

45 Čerstvé vejce bude ležet vodorovně, zatímco starší vejce bude stát svisle. Zkažené vejce poznáme tak, že jeho část bude vystupovat z hladiny ven. Stáří vejce jde odhadnout také z úhlu, který svírá podélná osa se dnem nádoby (obr. 31). Na obr. 32 srovnání polohy vejce starého 3 dny a 22 dnů. Stáří 3 dny Stáří 22 dnů Obr. 32 Srovnání polohy vejce starého 3 a 22 dní Plavání vajíčka: Archimédův zákon. Využití: třeba hospodyňky podle toho poznají, zda je vajíčko čerstvé nebo ne. Staré vajíčko je uvnitř vyschlé, pod skořápkou je vzduch a proto při ponoření do vody plave, kdežto čerstvé vajíčko klesne na dno. Vejce v láhvi Pomůcky: skleněná láhev s širším otvorem, uvařené oloupané vejce, zápalky Provedení: Zapálíme zápalku a hodíme ji do připravené láhve. Co nejrychleji na otvor láhve položíme oloupané vejce špičkou dolů, je lepší použít vejce vařené na hniličku, jsou pak elastičtější. Pozorujeme. Vysvětlení: Hořící zápalka ohřívá vzduch v láhvi, dochází k jeho rozpínání a unikání mezi stěnou láhve a položeným vejcem. Při hoření zápalky vzniká vodní pára a oxid uhličitý. Při styku vodní páry se stěnou láhve začne pára kondenzovat. Oxid 45

46 uhličitý se bude rozpouštět ve vzniklé vodě. Po dohoření zápalky se ochladí zbylý vzduch v láhvi, vznikne podtlak a vejce je vtaženo do láhve. Průměr otvoru skleněné láhve by se měl pohybovat okolo 2/3 průměru vejce. Vajíčko můžeme dostat lehce zpátky, když láhev otočíme dnem vzhůru a zprudka do ní foukneme. Když potom ústa oddálíme, vajíčko vypadne. Vytlačí ho ven větší tlak vzduchu uvnitř láhve. Vejce jako nosníky Pomůcky: 3 syrová vejce, deska, plato od vajec, nůžky, případně sádra Provedení: Z plata vystřihneme tři jamky pro vajíčka, která do nich vložíme. Takto připravená vajíčka rozmístíme do trojúhelníku a položíme na ně desku tak, aby ležela na všech třech vejcích rovnoměrně. Postupně na desku dáváme knihy a sledujeme, kolik jich vejce udrží. Vysvětlení: Hmotnost knih se rozloží pomocí desky na celou její plochu, tím se rozloží i tlak na jednotlivá vejce. Tlaková síla působící na oblý tvar každého z vajec se rovnoměrně rozkládá po celém jeho povrchu. Pokud chceme zvýšit nosnost vajec, tak každé z nich obtiskneme z 1/3 do sádry, poté vejce vyndáme a sádru necháme ztuhnout. Tyto stojánky zajistí rovnoměrné rozložení tlaku. Po ztuhnutí sádry položíme vejce zpět do stojánku a rozmístíme je do trojúhelníku. Položíme na ně desku a opatrně se na ni postavíme. Výsledek pokusu je ovlivněn hmotností člověka a kvalitou vajec. Zjistíme, že při takto provedeném pokusu vejce udrží člověka vážícího až 90 kg. Vejce musí být stejně velká, aby byl tlak rozložen rovnoměrně, kdyby jedno bylo větší, prasklo by a celý pokus by skončil neúspěchem. Denaturace bílkovin Pomůcky: pánev, hrníček, 96 % líh, vejce Provedení: Pánev položíme na stůl a nalijeme do ní líh. Do hrníčku rozklepneme vejce, které poté přidáme k lihu. Pozorujeme. Během prvních několika minut můžeme vidět, že vejce mění barvu na obvodu je bílé. Když se na vejce podíváme za několik hodin, je vidět, že bílek vypadá jako tepelně zpracovaný. 46

47 Vysvětlení: Příčinou této změny je děj nazývaný denaturace, během kterého dochází ke změnám struktury bílkovin a ty ztrácejí svou biologickou aktivitu. Jak již víme, hlavní částí bílku jsou právě bílkoviny. Proteinové řetězce v bílku jsou zamotány do klubíček. Jedná se tzv. globulární bílkoviny. Když smažíme nebo vaříme vejce, teplo způsobí, že tyto proteinové řetězce se rozbalují a postupně se vážou vzájemně na sebe. Denaturace může probíhat i dalšími způsoby, například již uvedeným smažením či vařením, šleháním bílků, pomocí chemických látek jako je alkohol, sůl, aceton a podobně. Rychlost denaturace v experimentu závisí na množství alkoholu. Pokud vejce navíc ještě promícháme, denaturace probíhá rychleji v celém objemu. Rozpouštění skořápky (dlouhodobý pokus) Pomůcky: jedno bílé syrové slepičí vejce, ocet, zavařovací sklenice Provedení: Vajíčko dáme do sklenice a zalijeme je octem. Druhý den ocet vyměníme. Na vejce se nedíváme potom alespoň týden (někdy to ale trvá déle). Po této době by vajíčko mělo být čisté, ale bude mít stále svůj tvar. Ocet rozpustí skořápku, ale membránu nechá neporušenou. Když tento pokus provedeme s uvařeným vajíčkem, skořápka se rozpustí úplně stejně, ale zůstane nám gumové vajíčko, které může skutečně skákat (když ho ale nehodíme z moc veliké výšky). Pro pobavení je možné zkusit v octu stejným způsobem rozmočit kuřecí kůstku. Když použijeme čerstvou, mělo by se nám podařit ji ohnout a dokonce na ní udělat uzel. Vznášející se vejce Pomůcky: syrové vejce, sklenice, sůl Provedení: Syrové vajíčko se může vznášet ve velmi slané vodě. Když dokážeme nalít do půlky sklenice slanou vodu a sklenici doplnit čerstvou vodou, aniž by se smíchaly (je lepší lít tu čerstvou po lžičkách po stěnách sklenice), mělo by se vám pak podařit opatrně ponořit vajíčko do sklenice mezi obě vrstvy. Pokus je velmi efektní, zejména pokud žáci nevědí, jak je pokus realizován. Je také možné namíchat roztok slané vody (metodou pokus omyl), který ukáže přesnou váhu vajíčka. Vajíčko se bude vznášet v kterékoli vrstvě, do které ho 47

48 ve sklenici umístíme. Když pak přidáme jen malé množství soli, vznese se až na hladinu. Když naopak přidáme trochu čerstvé vody, zase se ponoří. Ekvilibristika s vejci Pomůcky: uvařené vejce, sůl Provedení: Jestliže budeme hodně opatrní a máme pevnou ruku, můžeme postavit uvařené vajíčko na špičku. Každé vejce se dá vyvážit na svém širším konci, což je jednodušší. Postavit vejce na špičku tenčí můžeme provést jednoduše tak, když si předem na stole připravíme malou hromádku ze soli a na ní vajíčko vyvážíme. Potom jemně sůl odfoukneme pryč. Několik zrnek, která ve skutečnosti drží vajíčko, zůstanou pod ním. Vejce tato zrnka schová a my vidíme, že vejce stojí samo. Tento trik je znám jako Kolumbovo vejce. Tajné zprávy na vajíčkách Pomůcky: vajíčko natvrdo, octan, ocet, párátko Provedení: Uvaříme vajíčko, asi po dobu 5 minut. Necháme je vychladnout. Mezitím si rozpustíme tolik octanu, kolik jen bude možné ve lžičce octa. Octan můžeme koupit například v lékárně. Potom tento roztok použijeme pro napsání tajné zprávy na skořápku vajíčka pomocí párátka. Jakmile vejce uschne, vypadá zcela nedotčeně. Když ale potom skořápku oloupeme, stane se písmo viditelným na povrchu vajíčka. Poznámka: Hliníkové sloučeniny jsou v dnešní době spojovány s Alzheimerovou nemocí, proto takto popsaná vajíčka nejsou vhodná ke konzumaci. Trik se stříbrným vajíčkem Pomůcky: bílé slepičí vejce, svíčka, miska, voda Provedení: Pro tento pokus budeme potřebovat jedno bílé slepičí vejce (skořápka musí být suchá). Podržíme vajíčko nad plamenem svíčky, aby se pokrylo sazemi. Je nutné, aby jimi bylo pokryto úplně celé. Když bude vajíčko jen trochu vlhké, tak saze snadno zůstanou na našich prstech místo na vajíčku, když s ním budeme v prstech pohybovat. Dejte pozor, ať se nepopálíte! Jakmile je vajíčko pěkně pokryto černými sazemi, jemně je ponoříme do misky s vodou. Pozorujte. Vajíčko je stříbrné. 48

49 Vysvětlení: Pokud je vejce sazemi pokryto celé, uhlík obsažený v sazích odpuzuje vodu a zadržuje tak jemný film vzduchu. Ten pak vajíčku dodává stříbrně zrcadlový vzhled. Prázdné skořápky Pomůcky: půlskořápky, rovná podložka, kniha nebo deska, závaží Provedení: Pokuste se rozbít dvě syrová vajíčka tak, aby se skořápky přibližně rozpůlily. Tyto čtyři půlskořápky vypláchněte a nechte je vyschnout. Jejich tvar můžete doupravit nůžkami. Měly by mít všechny stejnou výšku, když je postavíte otevřenou stranou na stůl. Potom na ně opatrně postavte velkou knihu. Mělo by se vám podařit přidat na ni ještě několik knih, než skořápky překročí svůj limit a prasknou. Nakřáplé vejce Pomůcky: syrové vejce, hladká deska (stůl) Motivační otázka: Jak poznáme, že je ve skořápce vejce trhlina, i když ji neobjevíme očima? Provedení: Poklepávejte vejcem v různých místech jeho povrchu na hladkou desku. Nebo poklepávejte dvěma vejci vzájemně, když je držíte a otáčíte v rukou. I neviditelnou trhlinu poznáte bezpečně změnou zvuku. Poznámka: Provádějte pokusy pouze s vejci, která mají skutečně neporušenou skořápku. Vejce na moři Pro zajímavost jedna otázka a úvaha doslovně převzatá z díla, které již před více než třemi sty lety chtělo dělat přírodovědu zajímavou: M. Gottfried Voigt: Physikalischer Zeit-Vertreiber. Nakl. Ch. Scheippeln, Gustrow Překlad: Otázka: Proč klesají vejce ve studniční vodě nebo v jiné sladké vodě dolů, na mořské vodě však plavou? Úvaha: Vždycky je jedna voda čistější a průhlednější než druhá. Nečistota však pochází od atomů různých těles, která se v ní nalézají. A když se ty shromáždí ve velkém množství a spojí se s vodou, dělají vodu stále hustší a těžší. Proto je 49

50 mořská voda nejhustší a nejtěžší, vzhledem k hrubé, slané matérii, která v ní je. A právě proto na ní vejce plavou, i když naopak ve sladké vodě klesají. Provedení: Snadno předvedeme příslušný pokus pro vejce padající, vznášející se a plovoucí při vhodných koncentracích slaného roztoku. Při příslušné úvaze používáme Archimédův zákon. Dodatečná otázka: Můžeme padající vejce zastavit kdekoliv mezi hladinou vody a dnem nádoby? Pokus: Nádobu naplníme roztokem soli a na něj opatrně nalijeme vodu. Vejce se na rozhraní zastaví. Pevné vejce Otázka: Kdo rozmáčkne syrové vejce v hrsti? Pomůcky: syrové vejce, mikrotenový sáček Provedení: Vezměte nepoškozené syrové vejce do dlaně a ruku vložte do igelitového sáčku. Zkuste vejce rozmáčknout. Je to velmi obtížné, většinou se to nepodaří. Vysvětlení: Při tvaru vejce se působící síla rozkládá rovnoměrně na celý jeho povrch. Situaci lze srovnat s rozložením síly na nosném oblouku budov. Vejce je chráněno před vnějšími vlivy a před tlakem kvočny. Zamyslete se: Jak se však může slabé kuřátko po 21 dnech vývoje samo vyklubat? Obr. 33 Nosný oblouk a skořápka Nosný oblouk odolává i velkým silám působícím z vnějšku. Pokud bychom však na něj působili silou zevnitř, mnoho by nevydržel. Ověření pokusem: Klepejte prázdnou vaječnou skořápkou na hlavičku hřebíku, nejdříve zvenčí. Skořápka je překvapivě pevná, přesto, že je tak tenká. Když však jí klepneme stejným způsobem zevnitř, rychle se rozbije. Stačí k tomu i malý kuřecí zobáček. Vejce je malý div přírody. 50

51 Náraz dvou vajec Pomůcky: vejce, dlouhé vlákno Otázka: Rozbijí se obě syrová vejce při vzájemném nárazu? Provedení: Vejce zavěsíme na dlouhá vlákna, která upevníme v jednom bodě. Vejce oddálíme a pustíme. Pozorujeme. Rozbije se vždy pouze jedno vejce. Vysvětlení: Skořápka vejce není ve všech místech stejně silná. Proto povolí to vejce, které bylo v místě nárazu slabší. Bílek není voda Pomůcky: sklenice, voda, bílek, rotační deska Otázka: Jak se při roztočení změní povrch vody ve sklenici a jak se změní povrch bílku? Pozorujeme, že hladina vody se zvedá u vnitřní stěny sklenice. Stejný efekt můžeme pozorovat, jestliže sklenice zůstane v klidu a v její ose držíme ve vodě rotující tyč. Provedení: Postavíme sklenici vody doprostřed rotující desky. Nyní dáme do sklenice bílek. Na roztočené desce se bílek chová obdobně jako voda. Pokud realizujeme druhou variantu pokusu, zjistíme, že bílek bude stoupat vzhůru podél tyče. Vysvětlení: Na bílek také jistě působí odstředivá síla rotující tyče. Nějaká větší síla však jej vtáhne na tyč. Bílek je viskózně elastická kapalina, jejíž vrstvy se při pohybu vzájemně posouvají. Při rotaci vznikají v různých vrstvách napětí na obvodu kruhové dráhy. Jimi je kapalina přitahována do středu. Tyto síly nevznikají v normálních Newtonovských kapalinách. Bílek není voda. Létající vejce Pomůcky: vejce, dvě štíhlé sklenice Otázka: Umíte přenést vejce z jedné skleničky do druhé, aniž byste se jej dotkli? Provedení: Na rovnou podložku postavíme vedle sebe dvě stejné štíhlé skleničky na sekt a do jedné z nich položíme špičkou dolů vejce. Foukáme-li přímo shora na vejce, vejce se zvedne a překlopí se do prázdné skleničky. 51

52 Poznámky: Je třeba foukat silně a krátce. Pro zacvičení je možno malou dírkou vysát asi třetinu vejce. Pro překlopení vejce změňte trochu směr foukání. Vysvětlení: Vzduch vniká kolem vejce do skleničky, kde vznikne přetlak. Vzduchový polštář zvedne vejce. Pro pokus je důležitý právě tvar vejce, po jehož povrchu vzduch proudí. Vejce do skla Pomůcky: destička, vejce, sklenice Otázka: Na sklenici leží hladká destička a na ní vejce. Jak je dostaneme do sklenice, aniž bychom se jej dotkli? Provedení: Skleničku postavíme na rovnou podložku. Překryjeme ji destičkou a položíme na ni vejce. Potom destičkou rychle trhneme a vejce spadne do sklenice. Poznámky: Totéž můžeme udělat i s více vejci (např. šesti). Musíme je však na destičku položit v ochranných papírových manžetách. Sázené vejce na létající pánvi Pomůcky: měděné cívky, vejce, hliníková deska Otázka: Můžeme usmažit sázené vejce na pánvi, kterou nedáme na plotnu? Provedení: Na měděné cívky položíme hliníkovou desku nebo pánev bez držadla. Protéká-li cívkami proud (dost velký), začne se pánev vznášet. Je-li v ní syrové vejce bez skořápky, usmaží se. Výstřel na vejce Pomůcky: vzduchovka, vařené vejce, syrové vejce Otázka: Vystřelíme vzduchovkou na vařené a na syrové vejce. Jak budou po střelbě vypadat? Provedení: Opatrně z bezpečné vzdálenosti vystřelíme na vejce vařené a syrové. Vařené vejce bude nábojem vzduchovky provrtáno. Syrové vejce se rozletí na všechny strany. 52

53 Vysvětlení: Chování vajec po zásahu výstřelem lze vysvětlit na základě stlačitelnosti a šíření tlaku v kapalinách a pevných látkách. Ve třídě nutno zajistit bezpečnost žáků i učitele! Vybuchlé vejce Pomůcky: kyselina octová, vejce, sklenice, roztok soli Otázka: Může se vejce zvětšovat nebo zmenšovat? Provedení: Vejce vložíme na několik dnů do kyseliny octové. Pomocí kyseliny octové sloupneme opatrně ze syrového vejce vápnitou skořápku. Vejce pak drží pohromadě pouze tenká blána. Když takové vejce vložíme do vody, bude se zvětšovat a během několika hodin praskne. Vložíme-li podobně připravené vejce do roztoku soli, bude se smrskávat. Vysvětlení: Vejce obsahuje velké množství vody, dále soli a mnoho dalších látek. Blána vejce je propustná jen pro molekuly vody, ale ne pro částice soli. Z okolní vody pronikají molekuly do vejce, které se zvětšuje. Při vložení vejce do slané vody, je koncentrace soli vně větší a molekuly vody putují opačným směrem. Vejce se smrskává. Jde o snahu vyrovnat koncentraci soli, osmózu. Vejce jako nosníky Pomůcky: tři syrová vejce, desky Otázka: Unesou tři syrová vejce člověka? Provedení: Opatrně uložíme vejce mezi vrcholy dvou trojúhelníkových desek. Dbáme, abychom se do sestavy zbytečně nedotkli, a opatrně na desky necháme stoupnout studenta. Při dostatečně opatrném vstupu na horní desku může na vejcích stát dospělý muž. Poznámka: Pod člověkem vážícím 90 kg se vejce po určité době přece jenom rozbijí. Vysvětlení: Jev si můžeme vysvětlit na základě výsledků pokusů s pevností vajec, popsaných výše. 53

54 Poslušná a neposlušná vajíčka Pomůcky: vyfouknutá vajíčka, svíčka, diabolky, izolepa, suchý písek Provedení: U poslušného vejce jeden otvor vyschlého vyfouknutého vajíčka zalepíme kouskem izolepy, potom do skořápky nasypeme asi do čtvrtiny suchý písek a zalepíme druhý otvor. Poslušné vajíčko můžeme teď postavit do libovolné polohy, někdy je třeba trochu jím zatřepat a dát do pozice, do které ho chceme postavit. U neposlušného vajíčka nasypeme do skořápky diabolky (asi do jedné čtvrtiny), které zakapeme otvorem ve vajíčku voskem ze svíčky (nebo dáme kousky vosku a zahřejeme), necháme vychladnout ve stojací poloze, diabolky se pomocí vosku slepí a navíc se přilepí ke skořápce. Vysvětlení: Normální vajíčko nemůžeme postavit na žádný jeho konec, jelikož má těžiště uprostřed. U poslušného vajíčka jsme těžiště snížili, tím je poloha vajíčka stabilnější, a proto ho můžeme postavit i na špičku a polohu můžeme měnit. U neposlušného vajíčka je těžiště stálé a nemůžeme jej tedy ani položit a ani postavit na opačný konec, protože má stálé těžiště a vrátí se vždy do původní polohy. Tančící vajíčko Pomůcky: vyfouknuté vajíčko, malé hřebíčky, izolepa, magnet Provedení: Do vyfouknutého vajíčka nasypeme malé hřebíčky nebo nějaký železný drobný odpad z dílny asi do jedné čtvrtiny tak, aby se mohlo na jeden konec postavit. Zalepíme obě dírky. Vajíčko roztančíme pomocí magnetu. Vysvětlení: Magnetická síla působí na železné hřebíčky, můžeme pohybovat magnetem i nad vajíčkem či pod podložkou. Smažené vajíčko volské oko v papírové pánvi Pomůcky: vajíčko, trochu stolního oleje, malý propanbutanový vařič, kancelářský papír A4, 4 kancelářské sponky, 2 dřevěné kolíčky na prádlo, zápalky, hrníček, štěteček Provedení: Z papíru A4 vystřihneme čtverec o straně cm a složíme z něj tradičním způsobem krabičku s okrajem asi 2 3 cm, kterou v rozích zpevníme kancelářskými sponkami. Do protějších rohů ve zpevněných místech dáme 54

55 2 dřevěné kolíčky na prádlo. Zapálíme vařič a upravíme na malý plamen. Dno papírové krabičky natřeme stolním olejem. Vajíčko rozbijeme do hrníčku a nalijeme ho do papírové pánvičky. Papírovou pánvičku držíme za kolíčky několik centimetrů nad plamenem. Pánvičkou lehce pohybujeme nad plamenem. Na částech papíru, které jsou nad plamenem, musí být vajíčko. Toto je nejobtížnější fáze pokusu, protože pánev se prohýbá. Vysvětlení: Je podobné jako v předcházejících pokusech. Žloutek a bílek totiž obsahují vodu. Voda odvádí teplo a papír se nemůže zahřát na potřebnou zápalnou teplotu. Největší slepičí vejce na světě váží 169 gramů. Toto vejce, které snesla slepice v německém Langwege, je asi trojnásobně větší než běžné vejce. Umíme odpovědět Voda a sůl Každá hospodyňka ví, že když posolí suchou nakrájenou zeleninu nebo maso, po chvíli se ze zrnek soli stanou malé kapičky vody. Může za to tzv. osmóza jev, který hraje klíčovou roli v mnoha přírodních procesech i v našem těle. Při něm molekuly vody pronikají tenkou membránou (např. buněčnou stěnou) z míst, kde je menší koncentrace rozpuštěných látek (solí, bílkovin apod.), do míst, kde je větší. Voda z buněk zeleniny je tak vysávána do míst, kde je sůl, a zde se vytvoří kapky slaného roztoku. Když ponoříme starý svrasklý párek do teplé vody, po čase se nafoukne, protože díky osmóze se do slaného párku nasaje voda. Mastná oka na gulášové polévce Jistě jste si všimli, že mastná oka na gulášové polévce jsou tmavě červená mnohem více zabarvená než okolní polévka. Je to tím, že červené barvivo obsažené v paprice je dobře rozpustné v tucích, ale jen málo ve vodě (patří mezi tzv. lipochromy). To souvisí s uhlovodíkovými řetězci molekul barviva, které se přitahují s podobnými řetězci v molekulách tuku. Při vaření guláše se proto většina barviva rozpustí v přítomném tuku a do vody jej přejde jen nepatrná část. I některé vitamíny jako např. A, D, E jsou rozpustné v tucích a ne ve vodě. Proto jsou v kapslích z lékárny rozpuštěny v olivovém oleji. 55

56 Proč je potřeba knedlíky po vytažení z vroucí vody propíchat? Kdybychom to neudělali, knedlík by se zdrcl, protože plyn obsažený v jeho dutinách se ochlazením smršťuje a s ním by se smrštil i knedlík. Když ho ale propícháme, může se při chladnutí dovnitř dostávat vzduch z okolí. Vzduch pak postupně vyplní dutiny, ty se nezmenší a knedlík zůstane pěkně kyprý. A jaký plyn v dutinách je? Je to oxid uhličitý vzniklý během kynutí působením kvasnic na mouku a cukr. Proč prská voda na žhavém oleji? Rozpálený olej na pánvi má teplotu výrazně vyšší, než je teplota varu vody. Voda v kontaktu s ním proto okamžitě prudce vyvře a rozprašuje do vzduchu žhavé kapičky oleje. Při nalití vody do silnější vrstvy žhavého oleje tak můžeme nejen vytvořit olejový gejzír, ale také si způsobit popáleniny. Z podobného důvodu není moudré hasit hořící olej nebo naftu vodou. Voda kápnutá na silně rozpálenou plotnu se chová jinak. Zde kapky mohou vydržet překvapivě dlouho, protože vodní pára, která z nich působením tepla uniká, je nadnáší a tím jim brání v kontaktu s plotnou. Díky tomuto jevu, který se odborně nazývá Leidenfrostův, pak kapičky nevyvřou hned, ale postupně se vypařují, a přitom po plotně mohou i pěkně tancovat. Proč nám čaj v termosce vydrží dlouho horký? Stěny termosky jsou dvojité a z prostoru mezi nimi je vyčerpán vzduch. Teplo proto nemůže vedením přecházet mezi oběma stěnami a zůstává dlouho uvnitř termosky. Vedení ale není jediný způsob, jak teplo předávat. Všechna tělesa s teplotou vyšší než absolutní nula ( 273,15 C) vyzařují elektromagnetické vlny, které přenášejí energii a šíří se i vakuem. A to je hlavní důvod, proč nám i v termosce čaj po nějaké době vychladne. Zvuk při vaření vody Určitě jste si někdy všimli, že při vaření vody v hrnci nebo v konvici se chvíli před tím, než je voda uvedena do varu, začne ozývat šumivý až hučivý zvuk, který postupně zesiluje. Když pak voda začne vřít, zvuk zeslábne. Jak hučení vzniká? Ještě předtím, než voda v celém objemu nádoby dosáhne teploty varu, má už dno nádoby, kterou zahříváme, dostatečnou teplotu na to, aby vodu odpařovalo. Na dně tak vznikají malé bublinky páry, které se zvětšují. Tím se ale dostávají do kontaktu s vodou dále ode dna, která teplotu varu ještě nemá. Bublinky se od této vody ochladí, pára v nich zkondenzuje a bublinky se prudce 56

57 smrští. Vzniklý rychlý pohyb se přenese na okolní vodu i vzduch a vytvoří zvuk, který slyšíme. Když pak voda dosáhne teploty varu, bublinky se neochlazují, a tedy ani nesmršťují, zvuk utichne a my slyšíme už jen tišší šumění praskajících bublin páry na hladině. Proč šustí sáček V kuchyni můžeme slyšet i další zajímavý zvuk šustění plastového sáčku nebo alobalu. Odpověď na to, jak takové šustění vzniká, nám dá víčko od marmelády nebo kojenecké výživy. Když na víčko zatlačíme palcem, ozve se lupnutí. Tlakem se totiž narušila stabilita polohy, ve které původně bylo, a víčko přeskočilo do nové rovnovážné polohy. Pohyb víčka se pak přenesl i na okolní vzduch za vzniku cvaknutí. Totéž se děje, když deformujeme mikrotenovou nebo hliníkovou fólii. Na fólii je mnoho malých plošek, které při deformaci přeskakují do nových rovnovážných poloh. Přeskoky jsou velice rychlé a při každém z nich se ozve lupnutí. Spousta lupnutí rychle po sobě pak vytváří šustivý zvuk. Dobře je to vidět na kusu alobalu, který pomalu deformujeme a pozorně sledujeme plošky na něm. Snadno uvidíme jednotlivé přeskoky plošek a současně uslyšíme jejich lupnutí. Pokud je ale alobal příliš zprohýbaný, plošky už nepřeskakují a on nešustí. Smažená zmrzlina Pomůcky: 2 vejce, 4 lžíce Solamylu, asi ml zmrzliny, 250 g oleje nebo ztuženého tuku, 150 g kokosu (jemněji strouhaného), malé kovové sítko, malý vyšší hrnec, polévková lžíce, miska, vidlička Obr. 34 Smažená zmrzlina Provedení: Vejce ušleháme se škrobem pomocí vidličky. Ze zmrzliny (z mrazničky) vykrojíme lžící kus zmrzliny. Obalíme ho ve vajíčku se škrobem, v kokosu, znovu ve vajíčku a v kokosu. Tímto způsobem obalíme všechny 57

58 kousky zmrzliny a dáme je na chvíli do mrazničky. Při obalování pracujeme pečlivě, aby nebyla na zmrzlině žádná místa bez těstíčka. Do malého vyššího hrnce dáme olej nebo ztužený tuk. Kousek obalené zmrzliny položíme do malého sítka a rychle ponoříme do rozpáleného oleje. Smažíme krátce do zežloutnutí. Smaženou zmrzlinu vyklopíme na talířek. Můžeme ozdobit šlehačkou, ovocem či čokoládou a hned podáváme. Vysvětlení: Zmrzlina neroztála. Obal z těstíčka tvořeného vajíčkem se škrobem a kokosem po vložení do rozpáleného tuku vytvoří tuhou vrstvu, která je tepelným izolantem. Zeleninová chuťovka vařená v nafukovacím balónku Pomůcky: kousek cukety, papriky, rajčete, brambor, sůl, česnek, voda, malý propanbutanový vařič, nafukovací balónek, provázek, dlouhé nůžky nebo kleště Provedení: Cuketu, brambory a rajče oloupeme. Všechny potraviny nakrájíme na kostečky o velikosti asi 0,5 cm a nasypeme do balónku. Přidáme trochu soli a česneku a nakonec vodu. Balónek nahoře zavážeme a uděláme smyčku. Předtím se však ujistíme, že v balónku nezůstal vzduch a že voda je na všech místech, kde se bude plamen dotýkat balónku. Zapálíme kahan (plamen mírný). Balónek držíme nad plamenem ve výšce několik centimetrů. Voda v balónku se bude pomalu zahřívat, balónek se bude nafukovat. Snažíme se, aby voda nebyla úplně vařící, ale jen horká, proto míček vždy na chvíli dáme mimo plamen. Po 5 10 minutách budou potraviny měkké. Balónek položíme na talíř, necháme trochu vychladnout a pak ho roz- 58

59 střihneme. Uvařenou chuťovku vysypeme na malý talířek a můžeme přizdobit krájenou bazalkou. Obr. 35 Zeleninová chuťovka Do zeleninové směsi můžeme přidat i nadrobno nakrájenou uzeninu. Vysvětlení: Voda je lepší vodič tepla než vzduch. Odvádí teplo a zahřívá se k teplotě varu, která je nižší než zápalná teplota nafukovacího balónku. Při varu vody zůstává teplota vody i v okolí balónku stálá. Dodáváním tepla se voda vypařuje. Teprve, až by se voda vypařila, zvýšila by se rychle teplota balónku, který by se začal seškvařovat. Želatinová optika Obr. 36 Smažené vajíčko Pomůcky: 2 3 balíčky želatiny (nejlépe plátkové), voda, hrníček, plech, ostrý nůž, laserové ukazovátko, vařič Provedení: Želatinu uděláme podle návodu, použijeme však menší množství vody (asi 2/3 doporučeného množství), aby byla želatina tužší. Tekutou želati- 59

60 nu nalijeme na plech a necháme v chladnu ztuhnout. Plech předtím vypláchneme studenou vodou. Ztuhlou želatinu vyklopíme na prkénko a vykrajujeme z ní různé tvary optických těles (spojku, rozptylku, různé hranoly, model optického vlákna,...). Pak sledujeme průchod laserového paprsku přes tato tělesa. Laserovým ukazovátkem měníme úhel dopadu paprsku. Můžeme tak demonstrovat průchod světla optickým prostředím, odraz světla, lom světla, úplný odraz světla. Vysvětlení: Obr. 37 Želatinová optika Ztuhlá želatina je čiré optické prostředí, kterým laserový paprsek prochází. Na rozhraní 2 optických prostředí vzduch želatina pak dochází podobně jako u rozhraní vzduch sklo k lomu paprsku. Část světla se i odráží. Poznámka: Použitá optická tělesa můžeme opatrně rozpustit v trošce horké vody a znovu nechat ztuhnout pro další použití. 60

61 Pokusy s ostatními pomůckami Všechny pomůcky k pokusům uvedeným v této kapitole určitě najdeme v kuchyni. Pokusy jsou jednoduché a realizovat je můžeme bez problémů doma. Voda v papírové pánvi Pomůcky: voda, papír, kancelářské sponky, oheň (svíčky, sporák), stojan Provedení: Z obyčejného kancelářského papíru si uděláme papírovou misku. Nejlépe je misku poskládat tak, aby se nemusela použít izolepa ani samolepka. Z papíru vystřihneme obdélník o rozměrech 8 7 cm a klasickým způsobem z něj složíme krabičku s okrajem 2 cm, kterou v rozích zpevníme obyčejnými kancelářskými sponkami. Do vytvořené misky nalijeme vodu, která by neměla být až po okraj. Misku postavíme na stojan a pod něj umístíme hořák. Voda v naší misce začne pomalu vřít, aniž by došlo ke spálení papíru. Vysvětlení: Proč nedojde ke spálení papíru a jak to, že voda papír nepromočí? Voda v misce odebírá tepelnou energii, kterou chce oheň zapálit papír (voda ochlazuje papír pod jeho zápalnou teplotu). Tímto nedojde k vznícení papíru a voda v misce se začne ohřívat. Voda zase nepromočí papír, protože je neustále ohříván a vysušován ohněm. Teplota varu vody je 100 o C, zápalná teplota kancelářského papíru leží až při teplotě přesahující 250 o C. Kdy papír shoří? Až když se voda v misce vyvaří, neboť papír je sice zdola ohříván ohněm, ale shora je ochlazován vodou. Lámání špaget Co se děje, když lámeme špagetu? Na kolik kusů se rozlomí? Otázka, nad kterou přemýšlely nejlepší mozky světa, včetně nositele Nobelovy ceny Richarda Feynmana. Nyní byla záhada vyřešena francouzskými fyziky Basilem Audolym a Sébastienem Neukirchem. Pomůcky: špagety 61

62 Provedení: Vezmeme si špagetu, uchopíme ji na obou koncích a pomalu ji ohýbáme až do doby, než se zlomí. Po několika pokusech zjistíme, že se téměř nikdy nezlomí pouze na 2 kusy, ale většinou na 3, 4 a 5. Při 100krát opakovaném pokusu byly výsledky následující: v 7 případech se špageta rozlomila na 2 kusy, v 69 se zlomila na 3 kusy, v 16 se zlomila na 4 kusy a v 8 případech na 5 kusů. Vysvětlení: Pokud zlomíme suchou špagetu, obvykle zjistíme, že namísto toho, aby se zlomila na 2 části, se zlomí na části 3, kdy střední část odletí mnohdy až přes celou místnost. Důvodem je, že když ohýbáme špagetu, tak se obvykle nezlomí v místě ohybu, ačkoli je zde právě místo nejvyššího napětí. Zlomí se v místě blízkém místu ohybu, kde se kombinuje napětí a vada špagety. Takto dojde ke zlomení špagety na jeden dlouhý kus a jeden kratší kus (obr. 38a). Dlouhý kus se poté pohybuje v opačném směru (obr. 38b). Vada na dlouhém kusu špagety byla již namáhaná během prvního ohybu, a proto se nyní zlomí velmi snadno. Takto vzniklý kus špagety proletí přes celou místnost (obr. 38c). Toto druhé zlomení může vyvolat zlomení další, v závislosti na tom, kdy a kde se špageta zlomila poprvé. Rozlomení špagety na dva kusy dostaneme v případě, že vada se projeví už během prvního ohybu, ale to je vcelku vzácné. První zlom špagety Druhý zlom špagety a pohyb delšího dílu Obr. 38 Lámání špaget Osmóza brambor Pomůcky: brambor, sůl, lžička Provedení: Rozřízneme brambor na polovinu. Do jedné poloviny vydlabeme důlek a otřeme jej papírovým ubrouskem tak, aby v něm zaručeně nebyla žádná 62