4. Jak čerpat vodu?
Máš žízeň? Dneska je řešení jednoduché, otočíš kohoutkem a rázem je sklenička plná vody. Jak ale dostávaly naše babičky vodu ze studny? A jak se to dělá dnes?
Vrať se ještě jednou k pokusu z předchozí kapitoly. Vzpomeň si, že v experimentu byl okamžik, při kterém se ti zatajil dech:
Navzdory škarohlídskému očekávání destička většinou neupadne a voda nevyteče. Co je ale ta síla, která ji drží přitisknutou ke sklenici?
Žijeme na dně neviditelného oceánu
V U-trubici je důvod, proč zůstane přilitý olej stát na vodní hladině, jasný. Tlaková síla vody z protějšího ramene hadičky mu nedovolí klesnout níž, dokonce jej přetlačí hadičkou o kus výš, než je hladina samotné vody. Olej by chtěl klesnout, ale voda je zkrátka “silnější”.
Ač to tak na první pohled nevypadá, u pokusu se sklenicí a destičkou je to hodně podobné. Ze spodní strany nám do destičky také něco tlačí. Jenže co to je? Nic tam není vidět! Je to látka, kterou ani nevnímáme, a přece jsme na ní životně závislí – vzduch. Žijeme totiž na dně oceánu vzduchu. A i když se to nezdá, jeho tíha je obrovská.
Vzduch má velice malou hustotu, tisíckrát menší než voda, ale zato je tloušťka atmosféry více než sto kilometrů. Atmosférický tlak naměřený na zemském povrchu je okolo sto tisíc pascalů.
„Jednotka tlaku je pojmenována podle fyzika Blaise Pascala, který jako jeden z prvních prokázal závislost atmosférického tlaku na nadmořské výšce. Tlak jeden pascal odpovídá tomu, že síla jeden newton působí na plochu jeden metr čtvereční.“
Změř velikost atmosférického tlaku
Zkus si sám změřit velikost atmosférického tlaku! Nebo aspoň dokázat, že tento tlak existuje. Vezmi si injekční stříkačku, vytlač z ní vzduch a ucpi prstem otvor. Zkus vytáhnout píst stříkačky. Nejde to, že ne? Protože se pereš se silou, kterou proti tobě působí atmosférický tlak! Pokud tě bolí prst a dělá se ti na něm kroužek, pokus přeruš a místo ucpání prstem vraž stříkačku do jablka či bramboru. Ten "Au!" křičet nebude. Chceš-li změřit i velikost atmosférického tlaku, pokračuj podle tohoto návodu a pro výpočet použij kalkulačku a pracovní list.
„Archimédes, Newton a Pascal hrají na schovávanou. Archimédes pyká, Pascal se schová, zatímco Newton nakreslí na zem čtverec o hraně jeden metr a postaví se doprostřed. Archimédes se otočí a zavolá: 'Deset, dvacet, třicet, Newton!' A Newton odpoví: 'Kdepak! Jeden Newton na jeden metr čtvereční je přece Pascal!'“
Díky atmosférickému tlaku fungují i takové složité fyzikální vynálezy, jako je třeba brčko. No jasně, tím, že pusou vysajeme z brčka na jedné straně vzduch, vytvoříme podtlak. Tlak okolního vzduchu nám vžene do druhé strany brčka naši oblíbenou limonádu. Bez okolního vzduchu by to takhle nešlo. Ve vzduchoprázdnu bychom tedy nemohli pít brčkem – i když to by asi nebylo to, co by nás v takovou chvíli nejvíc trápilo.
Brčko nám dovolí pohrát si s atmosférickým tlakem ještě jinak. Ponoř svoje brčko do limonády, ucpi jej nahoře prstem a vynoř jej zase nad hladinu. Vyteče limonáda? Je jasné, proč ne? A teď uvolni prst a pusť otvorem dovnitř volně vzduch. Teď působí vzduch na limonádu zespoda i seshora skoro stejně, takže limonáda může z brčka volně vytékat. Než vyteče celá, zase brčko ucpi. Zastaví se, i když se dovnitř už nějaký vzduch dostal? Pokud budeš dostatečně rychlý, tak určitě. Jakmile přestaneš pouštět další vzduch seshora do brčka, první vyteklá kapka vody uvnitř vytvoří drobný podtlak a další voda nebude chtít spodem vytékat.
Jak dlouhé by brčko mohlo být, aby pokusy takhle pěkně fungovaly? Z jak vysoké budovy by dokázal nejlepší savec světa spustit brčko a vysát jím svou oblíbenou limonádu v přízemí? Tipni si a pak čti dál!
Deset metrů a dost?
Tlak vzduchu je sto tisíc pascalů. Tento tlak způsobuje sílu, která nám umožňuje pít brčkem anebo která přitlačuje podložku k vodě v lahvičce. Podívejme se znovu na obrázek z VIDY:
Jak vysoký je vodní sloupec v lahvičce? Deset až patnáct centimetrů. Spočítej tedy hydrostatický tlak, kterým působí voda na podložku. Připomeň si vztah pro hydrostatický tlak, hustotu vody tisíc kilogramů na metr krychlový a tíhové zrychlení zaokrouhli na deset.
Otázka: Kolik bude výsledný hydrostatický tlak deseticentimetrového sloupce vody?
Odpověď
Správnou odpovědí je: 0,1.1000.10 Pa = 1000 Pa
Zdůvodnění: Do vztahu musíš dosadit v základních jednotkách: jeden centimetr je setina metru, deset centimetrů desetina metru.
Jak to vypadá, je hydrostatický tlak deseti centimetrů vody stokrát menší než tlak atmosférický.
Otázka: Jak vysoký sloupec vody bychom tedy dokázali udržet pomocí atmosférického tlaku?
Odpověď
Správnou odpovědí je: deset metrů
Zdůvodnění: Sto tisíc pascalů musíš podělit hodnotou deset (tíhové zrychlení) a tisíc (hustota vody v kilogramech na metr krychlový).
Skutečně, sklenici můžeme zvětšit stonásobně. Takže by mohla být vysoká skoro deset metrů a destička z ní pořád nespadne! Ale naopak, kdybychom se snažili sát limonádu z více než desetimetrové výšky, nikdy se nám to nepodaří.
Zkus si to!
Je několik možností, jak to udělat. Zkusíme si variantu s nošením vody dlouhým ”brčkem”, tedy hadicí. Budeš potřebovat velký kbelík s převařenou, vychladlou a obarvenou vodou, dvanáct metrů dlouhou hadici (tuhou, průhlednou nebo aspoň s připojeným průhledným koncem a po metru navázanými mašličkami jako mírou), dvě zátky, provaz, budovu vyšší než deset metrů a kamaráda.
Nejtěžší je naplnit celou dlouhou hadici vodou. Opět je dobré dělat to tak, že se konec hadice ponoří do vody a pak se zbylá hadice pokládá kousek po kousku pod hladinu tak, aby v ponořené části hadice nikde nezůstala bublinka vzduchu. Až se to podaří, ještě pod vodní hladinou hadici na horním konci zašpuntuj. Spodní konec nech ve vodě otevřený, tak jako by brčko volně končilo v limonádě.
Tvůj kamarád pak vejde do budovy a pustí z okna provázek. Uvaž na něj zašpuntovaný konec hadice. A teď přichází na řadu samotný pokus – kamarád se pokusí tahat za provázek a zvednout horní konec hadice co nejvýš. Jak vysoko se to podaří, aniž by hladina vody v hadici začala klesat? Do osmi metrů by to mohlo jít snadno, ale vsadím se s vámi, že nad deset to nedokážete, pak už potáhnete jen samotnou hadici!
Deset metrů není nijak závratná hloubka. Slož si mapu mořského dna v okolí Evropy! Pak spočítej, o kolik větší tlak je v nejhlubších místech na dně proti pobřeží.
Odpověď
Hloubka nejhlubších míst dna je 5200 m (levý horní roh mapy). Jak je zde tedy velký hydrostatický tlak? Odpověď je 52 milionu pascalů, čili tlak 520krát větší než atmosférický.
Jenže my máme studnu!
Jenže my máme studnu a ta je padesát metrů hluboká! vykřikne v tuhle chvíli pochybovač. Jak z ní dostaneme vodu až na povrch?
No, sáním to nebude.
„Že by ji tahali po jednotlivých kbelících na provaze? To asi těžko.“
Zjisti více: Rumpál
Tahat vodu ze studny kbelíkem je poměrně dobrý vynález. Říká se tomu rumpál.
Jiná možnost je použít více nádob - vznikne řetězová pumpa
Pokud použiješ Archimédův šroub, můžeš posouvat i silně znečištěnou kapalinu nebo zrnité pevné látky
Všechny dosud uvedené způsoby získávání vody z hloubky mají společnou jednu věc – neperou se s atmosférickým tlakem. To už obyčejná ruční pumpa musí. Čerpá s pomocí dvou pístů, které zvedají nahoru souvislý vodní sloupec.
Tyto pumpy pracují na principu podtlaku – voda je nasávána z místa s vyšším tlakem do místa s tlakem nižším. Tímto principem čerpání lze tedy vytáhnout vodu pouze do výše deseti metrů.
„Anebo ani to ne. Vystřel si ze svých kamarádů! Vezmi dvě brčka a do obou někam udělej maličkou dírku. Ty takovým brčkem dokážeš pít, protože dírku nenápadně ucpeš prstem. Ale nikdo jiný ne!“
Zjisti více: Vyrob si pumpu!
Chceš vědět, jak se s takovou pumpou pracuje doopravdy? Vyrob si vlastní!
Abys dostal vodu výše, než je deset metrů, musíš dosáhnout ještě většího přetlaku nebo podtlaku. Jak sis vyzkoušel s brčkem, vodu lze táhnout do místa s nižším tlakem. Druhá možnost je tlačit vodu nahoru pomocí stroje, například pomocí motoru. Jednoduše řečeno, potřebuješ něco, co na spodní straně pomůže vzduchu tlačit ještě větší silou.
Zjisti více: Vřetenová pumpa
Ve studni bývá obvykle spuštěna vřetenová pumpa. Podívej se, jak funguje:
Vřetenovou pumpu pohání elektrická energie. Existuje však způsob, jak čerpat vodu i bez ní – využívá proudění vody a stlačení vzduchu v zásobníku. Tento způsob čerpání se nazývá vodní trkač.
Zjisti více: Vodní trkač
Vodní trkač v provozu vypadá velmi efektrně. Zjisti si o něm víc!
A jsme na konci kapitoly. Co takhle malé opakování toho, co ses dozvěděl o hydrostatickém tlaku?
Zjisti více: To, co jsi se dozvěděl, si zopakuj s appletem!
Vyzkoušej si funkci manometrů, podívej se, jak je velký tlak v různých místech kapaliny. A co dělá vliv atmosférického tlaku.