i i “1601-Strus-verizni” — 2010/8/31 — 11:16 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 32 (2004/2005) Številka 5 Strani 21–23 Damjan Štrus: VERIŽNI EKSPERIMENT Ključne besede: fizika, svetovno leto fizike, verižni eksperiment, popularizacija fizike. Elektronska verzija: http://www.presek.si/32/1601-Strus.pdf c© 2005 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2010 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez po- prejšnjega dovoljenja založnika ni dovoljeno. 21 Verižni eksperiment \ EKSPERIMENT št. 1 Z vodo do elektrike Avtor eksperimenta: Matjaž Ivanèiè, Oddelek za fiziko, FMF, Univerza v Ljubljani. Začetek tega eksperimenta je začetek celotne demo verige. Izbrano količino vode vlijemo v Tantalovo čašo, ki se do do- ločene višine polni, potem pa kar naenkrat vsa voda odteče iz nje (zakaj se to zgodi, si obvezno preberi v nadaljevanju). Voda iz čaše odteka v plastenko A, ki je z vrvico preko škrip- Najverjetneje iz te zgodbe izhaja tudi Tantalova čaša: to je posebna čaša, v katero lahko nalivamo kapljevino (ne da bi čaša puščala), dokler le-ta ne doseže izbranega nivoja. Ko pa kapljevina prese- že izbrani nivo, začne »sama od sebe« iztekati iz čaše in vsa izteče. Zagotovo je to pojav, ki takoj pritegne vsakega opazovalca, ne glede na njego- vo fizikalno žilico. Princip delovanja čaše je sila enostaven: deluje namreč na principu NATEGE (uporabljamo ga pri pretakanju vina iz soda v sod, bencina iz posode v rezervoar). Gotovo so že Grki tudi ugotovili, da se največ stva- ri naučimo, če jih poizkusimo sami. Torej, vzameš plastenko, ki ji z olfa nožem odrežeš približno ¼ zgornjega dela. Potrebuješ pa še 30 cm dolgo pro- zorno cevko (notranji premer 4 mm zadošča). Na robu med stransko ploskvijo in dnom izrežeš luk- njico tolikšne velikosti, da lahko en konec prozorne ca povezana s plastenko B, v kateri je približno 0,5 litra vode – sistem Atwoodovega padala. Ko- ličina vode, ki odteče v plastenko A, je malenkost večja kot v plastenki B, tako da se sistem prevesi: plastenka A povleče plastenko B navzgor, sama pa se pri tem spusti na električno stikalo. Stikalo sproži ventilator, ki je usmerjen proti jadrnici na kolesih. Ta se zaradi odrivanja zraka od njenega jadra začne gibati proti koncu proge (proga je na- rejena iz plastičnega podstavka korita za rože), kjer zadene ob drugo stikalo, ki izklopi ventilator in hkrati vklopi električno ključavnico (uporablje- na je ključavnica za centralno zaklepanje avto- mobila). Ključavnica sune kroglico, postavljeno na vrh klanca, da se odkotali po njem in na dnu sproži mehanski časovnik (timer), ki je povezan s svetlečo diodo (LED). Mehanski časovnik je sestavljen iz mehanskega nihala, ki zaniha, ko kroglica trči vanj. Hkrati kroglica s svojo težo sproži stikalo, ki vklopi LED, ko pa se nihajoča palica vrne nazaj v ravnovesno lego, kroglico izbije, s tem sprosti stikalo, ki iz- klopi LED. Tantalova èaša Antični Grki so dejali, da je pri pitju potrebna zmernost in da se čaše ne sme dolivati do roba. FIZIKA Presek 5-revija-9.indd 21 4/11/2005 13:24:52 Process Cyan Process Magenta Process Yellow Process Black PANTONE Process Magenta CVC PANTONE 130 CVC PANTONE 312 CVC 22 cevke potisneš skoznjo. Poskrbi, da cevka dobro tesni. Drugi konec cevke zavij v obliki narobe postavljene FIZIKA \ EKSPERIMENT št. 2 Avtomobilček in balon Avtorji eksperimenta: Jure Drobnak, Mitja Blažinèiè in Peter Blažiè, Oddelek za fiziko, FMF, Univerza v Ljubljani. Končni dogodek prvega eksperimenta – vklopljena svetleča dioda – je začetni dogodek drugega. Svetloba, ki jo oddaja LED, povzroči prevajanje fotodiode. Sklene se tokokrog, ki sprosti kovinsko kroglico, da se začne kotaliti po žlebu in na koncu žleba pade v lijak. Na dnu lijaka kroglica sklene kontakt, ki požene avtomobilček na daljinsko vodenje, da od- dirja po zavitem dirkališču in se na koncu proge zaleti v sti- črke U proti dnu plastenke. Tako je tvoja Tantalova čaša na- rejena in pripravljena za polnjenje. Ko vanjo počasi nalivaš vodo, opazuj, kako se gladina vode v plastenki dviga, hkrati s plastenko pa se polni tudi navzdol obrnjen del prozorne cevke – gladina vode v cevki je v vsakem trenutku enaka gladini vode v plastenki. V trenutku, ko se voda v cevki prelije čez vrh in izrine ves zrak iz cevi, natega »potegne«. Zrak sedaj pri- tiska na gladino vode v plastenki in potiska vodo skozi cevko. Ko v cevko pride zrak, voda preneha iztekati. Še kapljica fizike za pojasnitev delovanja: na spodnji sliki si na vrhu U cevi zamislimo element kapljevine, ki je za h1 nad gladino vode v plastenki in za h2 nad koncem cevi, iz katerega izteka voda. Na ta element deluje, denimo z desne strani tlak pD=p0– tgh1, ki ga potiska v levo. Temu nasprotuje kaplje- vina na levi strani, ki pritiska v desno s tlakom pL=p0– tgh2. kalo. To stikalo odpre električni ventil, ki povezuje plastenko s stisnjenim zrakom in balonček. Preko sproščenega električnega ventila zrak iz plastenke od- teka v balonček in ga napihuje. Ko prostornina balončka dovolj naraste, se balonček dotak- ne navpično postavljene kovinske palčke in jo začne potiskati skozi luknjico, na kateri sedi kroglica. Balonček se napihne do te mere, da kovinska palčka odrine kroglico, ki predstav- lja začetek tretjega eksperimenta, o katerem bomo pisali v naslednji številki Preseka. Napihovanje balonèka Gre za pojav, ki ga vsi srečujemo že od malih nog in na prvi pogled izgleda preprost: napihnjen balon se spusti proti tlom, če smo ga napolnili s plinom, ki je gostejši od okoliške snovi, ali dvigne, če je polnjen s plinom, ki je redkejši od okoliške snovi. Proces napihovanja pa v resnici skriva kar nekaj zanimivih fizikalnih dejstev. Na zelo preprost način lahko pogledamo, kako se spreminja tlak v balončku med napihovanjem. Spod- nja desna slika prikazuje balon, povezan z merilnikom tlaka in cevko, preko katere balon napihujemo in nato praznimo, zgornja pa grafični prikaz meritve tlaka v realnem času (v resnici nas zanima samo potek tlaka; ponavljanje meritev pokaže, da čas napihovanja na grafu ni pomemben, oblika krivulje se ne spreminja). Balon napihujemo z usti preko plastične cevke (vpih za vpi- hom), kar ima za posledico, da je krivulja nazobčana – med dvema vpihoma nekaj zraka uide iz balona. Krivulja na grafu dokazuje že znano: tlak v balončku se ob začetku pihanja zelo poveča, zato se ob napihovanju balo- na najbolj namučimo na začetku (spomnite se, kako težko je napihniti predvsem podolgovate balone). Ob nadaljnjem Razlika tlakov 9p=pD– pL = tg (h2– h1) potiska namiš- ljeni element v levo. Natega ne »potegne« vode, če je vrh U cevke za več kot 10 m nad gladino vode, bi pa »potegnila«, če bi pretakali bencin. Če ne veš zakaj, pov- prašaj najbližjega fizika! Presek 5-revija-9.indd 22 4/11/2005 13:24:53 Process Cyan Process Magenta Process Yellow Process Black PANTONE Process Magenta CVC PANTONE 130 CVC PANTONE 312 CVC 23 enakomernem napihovanju tlak pada, dokler se ne ustali (v našem primeru pri vrednosti okoli 104 kPa ). Kljub temu, da še naprej pihamo v balon in se njegova prostornina povečuje, ostaja tlak v balonu skoraj nespremenjen. Ob času 50 se- kund prenehamo z napihovanjem in balon se prične prazniti: tlak se le malo zmanjšuje, tik preden pa se balon »izprazni«, tlak naraste (špica ob koncu grafa, ki je posledica elastičnih lastnosti in oblike balona), nato pa hitro pade na začetno vrednost. Kaj pa tlak med napihovanjem balona, dokler le-ta ne poči? Prejšnja meritev je pokazala, da se tlak v balonu med napi- hovanjem ne spreminja – prostornina balona se povečuje. Ta meritev pokaže, da se ob še nadaljnjem napihovanju prične tlak v balonu povečevati – material se je začel upirati raz- tegovanju. Balon je skoraj dosegel največjo prostornino in se kljub napihovanju le zelo malo povečuje. Ko tlak (skoraj) doseže največjo vrednost, dosežemo mejo natezne trdnosti materiala, naša meritev se ob močnem poku konča, tlak pa v trenutku pade. Izračunajmo še, kakšne so spremembe prostornine balona pri eksperimentu Avtomobilček in balon. S tlačilko natlačimo zrak v plastenko s prostornino poldruge- ga litra, da je v njej tlak 2,5 bara. Ko stikalo odpre ventil, ta omogoči zraku, da se iz plastenke razširi in napihne balon- ček. Gre za hiter proces, kjer ni časa za izmenjavo toplote; preko ventila se tlak v plastenki in balončku izenači skoraj hipoma, tako da lahko spremembo v balončku obravnavamo kot adiabatno. Za takšno spremembo pa velja p0V0 l=p1V1 l ali v drugi obliki T0V0 l–1=T1V1 l–1. Izračunamo lahko, kolikšno prostornino bo zavzel zrak, ko se bo iz plastenke razširil v balonček. Upoštevamo poda- tke: začetni tlak p0=2,5 bara, začetna prostornina zraka V0 =1,5 l in končni tlak p=1 bar (v resnici je le malo večji od zunanjega zračnega tlaka). l predstavlja razmerje speci- fičnih toplot l= cP cv in če za zrak predpostavimo, da je se- stavljen iz dvoatomnega plina, vzamemo vrednost l=1,4. Končna prostornina zraka V1= 2,9 l . Izračunamo lahko tudi na kolikšno temperaturo se pri razpenjanju zrak ohladi, za- četna temperatura T0= 298K in za končno temperaturo do- bimo T1= 229K. Temu hitremu začetnemu razpenjanju sledi še vzpostavljanje termičnega ravnovesja z okolico, ko se zrak segreva na so- bno temperaturo. To opazimo kot zelo počasno naraščanje prostornine balona, spremembo pa obravnavamo približno kot izobarno V1 T1 V2 T2 = . Ko upoštevamo, da velja T2=T0, dobimo za končno prostornino zraka V2= 3,8 l in končno prostornino balona 2,3 l. Če predpostavimo, da je balonček krogla, je njegov premer dobrih 16 cm, kar se izkaže tudi ob verižnem eksperimentu. Damjan Štrus FIZIKA Presek 5-revija-9.indd 23 4/11/2005 13:24:55 Process Cyan Process Magenta Process Yellow Process Black PANTONE Process Magenta CVC PANTONE 130 CVC PANTONE 312 CVC