3. Pravda vyjde najevo jako olej nad vodu
Znáš toto přísloví? Neznamená jenom to, že pravdu neutajíš, nebo alespoň ne na dlouho, ale i to, co říká doslovně – totiž, že olej plave po vodě. Ale proč?
Proč je voda vodorovná?
Tato otázka vypadá jako úkrok stranou, ale není. Napusť si do hrnce či sklenice vodu a nakláněj hrnec. Voda zůstane vodorovná, hrnec se naklání, hladina ne, a tak pořád, až … až ji vyleješ.
Pokud teče voda do jiné nádoby, zaujme voda její tvar, pokud na zem, rozlije se do tenké vrstvy. Zaujímat tvar nádoby, ve které se nachází, je obecná vlastnost každé tekutiny (kapaliny a plynu), neudržet tento tvar mimo nádobu také. Pro důvod by ses musel podívat do struktury tekutin. Síly, které k sobě vážou jednotlivé molekuly kapaliny, jsou mnohem slabší, než je síla, která působí na všechno na zemském povrchu – síla gravitační. Proto se kapalina bez vnější nádoby rozteče na tenkou slupku, obalující zemský povrch. Pomocí misky s vodou tak můžeš určit, zda je stůl postavený rovně. Napadlo tě slovo vodováha? Výborně.
Zjisti více: Voda a gravitace
Pokud tě napadlo, jak by se chovala voda, kdyby gravitační síla neexistovala, už je to vyzkoušené. Voda, která opustí nádobu, vytvoří v tom případě kuličky – stahuje ji dohromady jen povrchové napětí. Podívej se, co dokázal s trochou vody kosmonaut na Mezinárodní kosmické stanici.
Vodní váhy
Zkus si jednoduchoučký pokus. Nejprve si vyrobíme takzvané spojené nádoby.
Vezmi si průhlednou hadičku, pravítko, dvě gumičky a trychtýř. Hadičku přehni v půli a připevni k pravítku podle obrázku. Získáš tak hadičku ve tvaru písmene U, tedy U-trubici. Nalej do ní vodu. Asi tě nepřekvapí, že nezůstane stát v jednom rameni, ale přelije se tak, aby byla v obou ramenech ve stejné výšce.
Zajímavé a užitečné je, že se zachová úplně stejně, i když budou různé konce hadice různě široké. Nebo pokud bude hadička hodně dlouhá a zkroucená. Zkus si to. Vezmi nějakou delší hadici, naplň ji pořádně vodou. Dej pozor, ať z ní dostaneš všechny bubliny, nejlépe se to dělá tak, že jeden konec ponoříš do vody v nějakém velkém kýblu a pak do ní budeš postupně pokládat zbytek hadice kousek po kousku. Když teď plnou hadici chytneš za konce a vyndáš ji ven z kýblu, bude se voda uvnitř chovat trochu zvláštně. Když necháš konce otevřené a pohneš jedním koncem hadice nahoru, voda uvnitř se nezvedne s ním, ale přeteče do druhé půlky hadice! Tak, aby se nakonec obě hladiny vyrovnaly stejně vysoko. Toho využívají třeba dělníci na stavbě, když chtějí vyměřit, aby zeď domu byla všude stejně vysoká a v druhém patře jste neměli podlahu z kopečka. Schválně, zkus vzít kamaráda a zjistěte spolu, jestli jsou různá okna vašeho domu ve stejné výšce! Doporučujeme to zkoušet zvenku ze zahrady, za louži v obýváku by vám tatínek nepoděkoval.
Zjisti více: Zdymadlo
Na principu spojených nádob funguje také například zdymadlo neboli plavební komora. Podívej se na video.
Jak to funguje? Představ si na dně tvé hadice nebo U-trubice malinkého potápěče. Jistě cítí, jak na něj tlačí voda nějakou silou. Potápěl ses někdy? V hloubce třeba dvou metrů cítíš mnohem větší tlak na temeno hlavy, než když ponoříš hlavu jen těsně pod hladinu. Tlak na temeno hlavy je přitom stejný, když plaveš v malinkém bazénu anebo na kraji oceánu – tlak vody pod vodní hladinou zkrátka závisí jen na hloubce. Na dně U-trubice tlačí voda na tělo potápěče i zleva a zprava a vzniklé tlakové síly musí být stejně velké. Kdyby totiž nebyly, posouvaly by potápěče na tu stranu, kde by byla síla menší, a voda by se přelévala s ním, až by se síly vyrovnaly. Proto je v levém i pravém rameni voda ve stejné výšce.
Hydrostatický tlak je tím větší, čím hlouběji se potopíme a taky v čím hustší kapalině se potápíme. Fyzici by to zapsali takhle:
Hloubku pod hladinou jsme označili h, 𝜌 je hustota kapaliny a g je tíhové zrychlení, které je u nás na Zemi všude podobné, zhruba 10 m.s-2.
Ano, možná tě překvapilo, že je tu opět důležitá ta zpropadená hustota, o které jsme se bavili v předchozí kapitole. Co se bude dít, když do našich hrátek zapojíme i jiné kapaliny než vodu? Vyražme zase do kuchyně!
Olej na vodě, nebo voda na oleji?
Když naleješ olej do polévky, udělá mastnou skvrnu na hladině. Dobře, ale co kdybys nalil vodu na olej? Ve VIDĚ to vyzkoušeli, tak se podívej na tento odkaz.
Voda a olej si tedy vymění místo – olej je nahoře, voda dole.
Otázka: Vezmeme-li stejné objemy vody a oleje, jaké je srovnání jejich hmotností?
Odpověď
Správnou odpovědí je: olej má menší hmotnost.
Vysvětlení: Zkoušel jsi to při pečení muffinů (mléko je v podstatě voda), zřejmě si to správně pamatuješ. Tím pádem také víš, že olej má menší hustotu.
No jasně, voda má větší hustotu, proto se protlačila vrstvou oleje a uvelebila se pod ním na dně sklenice. A řídký olej teď na vodě plove.
Zkus tedy prověřit hypotézu, že kapalina, která má menší hustotu, bude plavat na té, která má větší hustotu! A jestli záleží na množství.
Vezmi si nějakou vysokou průhlednou sklenici. Prohledej kuchyni, najdi co nejvíc různě hustých kapalin a zeptej se rodičů, které z nich smíš použít na pokus. Nemusí být jedlé. Doporučujeme třeba tyhle: kečup, olej, vodu, alkohol. Vodu je dobré trochu přibarvit třeba vodovkou nebo sirupem, ať je lépe poznat od lihu. Postupně je opatrně nalévej do sklenice, od každé stačí třeba dva centimetry výšky skleničky. Lej pomalu, ať se nepromíchají. Která kapalina se potopí na dno sklenice a která zůstane plovat na všech ostatních? Změní se pořadí vrstviček, pokud tam některé kapaliny naleješ víc? Co jsi zjistil o hustotě kapalin, která z nich je nejhustší a která nejřidší? Pochlub se svým barevným koktejlem rodičům nebo sourozencům a pak to hlavně nezapomeň pořádně umýt.
Doplň hustoty kapalin a hydrostatické tlaky.
Druhý pokus s U-trubicí
Kapaliny jsme seřadili podle hustoty, ale dala by se jejich hustota přesněji změřit? I bez vážení? Jistě. Vrať se ke svojí U-trubici, kterou jsme používali na začátku kapitoly. Je v ní ještě voda? To jsi připraven k dalšímu kroku – nalít do svojí U-trubice kromě vody ještě olej. Ten, s kterým jsi pekl muffiny, je velmi dobrý, ale ještě lepší je lampový. Ne, že by měl z fyzikálního hlediska jiné vlastnosti, taky plave na vodě, ale má velkou výhodu – pokud se jím poleješ, nemusíš prát, ale lze ho z oblečení vyžehlit přes savý papír či kus bavlněné látky.
„Anebo jinak: vezmi dobrý jedlý olej a k tomu místo vody mléko. Je to škoda vylévat, upeč zase muffiny – dej místo jablek strouhanou mrkev, ořechy a rozinky. Rodina si díky tobě fyziku zamiluje!“
Opatrně tedy olej přilej přes trychtýř do jednoho ramene U-trubice. Stane se divná věc. Co? Zkus to odhadnout a pak si to sám vyzkoušej!
Otázka: Co se stane s hladinami v obou ramenou U-trubice, když přileješ k vodě olej?
Odpověď
Správnou odpovědí je: Hladina oleje bude výš než hladina vody.
Zdůvodnění: Z pečení muffinů víš, že hustota oleje je menší než hustota vody. Má-li tedy sloupec oleje tlačit na našeho imaginárního potápěče stejně jako sloupec vody, musí být vyšší.
Ano, voda a olej tentokrát vystoupaly různě vysoko! Jak z toho určit hustoty? Podívej se, kde je v hadičce rozhraní vody a oleje. Vzpomeň si, že tlak v trubici závisí na hloubce a hustotě a zprava i zleva musí tlačit na našeho imaginárního potápěče stejně. Z toho vyplývá, že součin hustoty a výšky tekutiny nad rozhraním je v obou ramenech U-trubice stejný. Takže stačí změřit výšky obou tekutin nad rozhraním a spočítat hustotu podle vztahu: ρolej = ρvoda*hvoda/holej. Protože hustota vody je 1 kg/dm3, stačí podělit naměřené výšky a máš hustotu oleje v této jednotce.
My jsme naměřili 10,7 cm vody a 11,7 cm oleje – vychází nám tedy hustota oleje 0,91 kg/dm3, což se celkem shoduje s výsledkem z vážení.
A záleží na množství? Ne! Rozhraní se posune pro větší množství přilitého oleje níže a pro výšky sloupců nad ním bude pořád platit ta stejná rovnice.