Základy vztlakové síly v pokusech

Transkript

1 Základy vztlakové síly v pokusech Václav Piskač 1, Gynáziu tř. Kpt. Jaroše, Brno Po celou dobu své pedagogické praxe se snaží vyučovat poocí deonstračních a žákovských pokusů. Následující řádky považujte za návrh souboru experientů, které by žáci ěli vidět běhe probírání téatu Vztlaková síla a plování těles. To, jestli je budete předvádět sai, nebo si je budou zkoušet žáci ve skupinách, ponechá na vás. 1 Vztlaková síla 1.1 Úvodní úvahy Začíná priitivní pokuse: vhodí do nádobky s vodou (nejlépe do akvária) pingpongový íček plove na hladině. Pokud žáci pochopili Newtonovy pohybové zákony, je ji jasné, že na íček nyní působí voda silou stejně velkou jako tíhová síla, kterou na něj působí Zeě. Vcelku snadno lze úvahou odvodit, že síla vody usí sěřovat svisle vzhůru. Nyní do vody vhodí káen nebo golfový íček klesne ke dnu. Znaená to, že na některá tělesa voda silou působí a na jiná ne? 1.2 Vybavení Pro další pokusy a úvahy používá jednoduché rovnoraenné váhy vyrobené z dřevěné tyčky, dva golfové íčky (do nich jse vyvrtal otvor a vlepil háček z ěděného drátu), rybářská olůvka o hotnosti shodné s golfový íčke, dvě kádinky a kapalinu o hustotě odlišné od vody (líh nebo slaná voda). 1.3 Existence vztlakové síly Na váhy zavěsí dva golfové íčky a připoenu, co se stane s váhai, pokud na jeden z íčků začne působit další síla sěre vzhůru nebo dolů rovnováha se poruší. Nachystá si dvě kádinky s vodou a ponoří do nich oba íčky rovnováha se neporuší (že by na ně skutečně voda nepůsobila silou?). Obr. 1 rovnoraenné váhy s příslušenství 1 vaclav.piskac@sezna.cz Obr. 2 íčky ponořené do vody 7

2 Nyní pokus zopakuji s tí, že do vody ponoří jen jeden z íčků rovnováha se okažitě poruší tj. vztlaková síla působí na tělesa v kapalinách vždy. 1.4 Vliv objeu tělesa Obr. 3 jeden íček ve vodě Jeden z íčků nahradí rybářskýi olůvky ta ají při stejné hotnosti viditelně enší obje než íček (cca 10krát). Ponoří obě tělesa do vody to, na které působí enší vztlaková síla, klesne dolů. Závěr: čí á ponořené těleso enší obje, tí enší silou na něj voda působí. 1.5 Vliv hustoty kapaliny Obr. 4 vliv objeu tělesa V jedné kádince vyění vodu za jinou kapalinu. Na fotografii je v pravé kádince líh. Ponoří íčky do kapalin v kapalině s enší hustotou klesne íček dolů. Závěr: vztlaková síla závisí na hustotě kapaliny. 8

3 Obr. 5 vliv hustoty kapaliny 1.6 Zařazení do výuky Výše uvedené pokusy ůžee při výuce použít dvěa vzájeně inverzníi způsoby. V první variantě nejprve teoreticky odvodíe vztah pro vztlakovou sílu a experienty provedee jako jeho potvrzení. Druhá varianta začíná experienty na získané poznatky se odvoláváe běhe odvození vztahu. Případně ůžee vztah pro vztlakovou sílu žáků sdělit bez odvození a zkontrolovat, jestli odpovídá pozorování. Pokud chcete dělat přesnější úvahy, lze obdobné pokusy provádět s jední tělese poocí citlivého siloěru. Zěřený rozdíl ezi tíhou ve vzduchu a tíhou v kapalině je roven vztlakové síle. Pokusy s rovnoraennýi váhai ají ve srovnání se siloěre obrovskou výhodu jsou jednoduché, rychlé a hlavně dobře viditelné z celé učebny. 2 Plování těles 2.1 Úvodní experient Do akvária s vodou vhodí golfový a pingpongový íček. U obou už víe, že na ně voda působí vztlakovou silou. Ponoří je současně pod hladinu golfový klesá ke dnu, pingpongový stoupá vzhůru. Žáci jsou sai schopni jevy objasnit na základě velikosti vztlakových a tíhových sil. 2.2 Plování loďky Loďka je vyrobená z alé PET lahve vystřižení otvoru v boční stěně. Po obvodu á nalepený pásek saolepící tapety pro dobrou viditelnost. Nechává ji plovat v akváriu s vodou. Provedu se žáky rozbor působících sil vztlaková síla je stejně velká jako tíhová. Nyní do loďky postupně přidává závaží (kaínky). Loďka se postupně ponořuje do vody. Tíhová síla, která na ni působí, s přidávání zátěže roste. Loďka ale zůstává na hladině, protože s tí, jak se zanořuje, roste i vztlaková síla. Hustota okolní vody zůstává stejná vztlaková síla tedy nezávisí na celé objeu loďky, ale jen na objeu ponořené části. Obr. 6 loďka z PET láhve 9

4 Obr. 7 zatížená loďka 2.3 Plovoucí tělesa Používá tři kapaliny o rozdílných hustotách denaturovaný líh (800 3 ), vodu ( ) a koncentrovaný roztok kuchyňské soli ( ). Aby ěla solanka dostatečnou hustotu, je nutno rozpouštět sůl ve vařící vodě (v litru vody se rozpustí přes 0,25 soli). Úvodní pokusy provádí se sadou kelíků, které ají shodný obje, ale rozdílnou hotnost (tj. liší se hustotou). Jsou vyrobeny z nádobek pro sběr vzorků (lze koupit např. na které ají pro snadnou anipulaci ve víčku zašroubované očko. Jsou zatížené ocelovýi podložkai, barevné rozlišení zajišťují pásky barevného papíru vložené do nádobek. Obr. 8 sada nádobek Kapaliny jsou nality do 400l kádinek. Doporučuji přichystat si i další nádobu s vodou, ve které lze oplachovat tělesa, která se naáčí do lihu a do solanky. Nádobky jsou vyváženy tak, že černá ve všech kapalinách klesá ke dnu, zelená plove jen v solance, červená plove v solance a ve vodě a žlutá plove ve všech kapalinách. Objey ají stejné, liší se jeno hotností tj. hustotou. Ze vztahů pro tíhovou a vztlakovou sílu snadno odvodíe, že těleso klesá ke dnu, je-li jeho hustota větší než hustota kapaliny. 10

5 Obr. 9 plování nádobek 2.4 Plovoucí ateriály Úvahy o plování by ěly plynule pokračovat deonstrací plování látek (opět v kádinkách s lihe, vodou a solankou). Používá několik vzorků ateriálu o různé velikosti, aby bylo zřejé, že plování nezávisí na rozěrech vzorků. Sestavil jse dvě sady ateriálů jednu trvanlivou a druhou přírodní. Trvanlivou sadu tvoří vzorky plastů: pěnový polystyren cca 30 3 hopskulka (hopík, guová skákací kulička) cca polystyren úloky pravítka cca celuloid odřezky pingpongového íčku cca Místo celuloidu lze použít kusy PVC (tj. odřezky odpadních trubek), ísto hopskulky polypropylen (např. kusy víček z PET lahve). Obr. 10 plování plastů 11

6 Přírodní sadu tvoří: korek nebo slupka od poeranče (plovou i na lihu) kus jablka (plove na vodě, v lihu klesá ke dnu) kus brabory (plove v solance, ve vodě klesá ke dnu) lastury Lastury sice do sady až tak oc nezapadají, ale nic jiného s hustotou větší než solanka ě nenapadlo (šly by použít kosti, ale sežeňte vydezinfikované kosti vhodných rozěrů ). Hrozí jedno nebezpečí jablka občas ají hustotu enší než líh. Proto stojí za to ít připravený alý šroubek, který nenápadně zatlačíte do vzorku jablka, který á v lihu klesat ke dnu (tak, jako jse to řešil při fotografování). Saozřejě je nutné upozornit žáky na to, že jablko občas v lihu plove. Obr. 11 plování přírodnin 2.5 Průěrná hustota tělesa Žáci by si ěli uvědoit, že pro plování je rozhodující průěrná hustota tělesa. Krásně to deonstruje prastarý pokus. Vhodí do vody poeranč plove na hladině. Když ho oloupu, klesá ke dnu. Naopak jeho slupka je ochotna plovat i na lihu. Obr. 12 poeranč na vodě Odkazy stránky autora zaěřené na výuku fyziky 12