i i “Strnad-brizgalnik” — 2010/6/14 — 10:40 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 16 (1988/1989) Številka 4 Strani 197–202 Janez Strnad: OBRATNI BRIZGALNIK Ključne besede: fizika, Feynman. Elektronska verzija: http://www.presek.si/16/940-Strnad.pdf c© 1989 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2010 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. '-'-1'/ ..,r L"" " OBRATNI BRIZGALNIK" Ameriški fizik Richard Feynman je leta 1965 dobil Nobelovo nagrado - skupaj z Julianom Schwingerjem in Sin-Itirom Tomonago - za prispevek h kvantni elektrodinamiki. Feynman je bil med fiziki zelo priljubljen. Priljubljenosti si ni pridobil le s svojim raziskovalnim delom in s številnimi knjigami, pač pa zagoto- vo tud i s svojo svežo miselnostjo, v kateri ni bilo prostora za vsakovrstne pred- sodke ne do vsakdanjih življenjskih zadev ne do fizike same. Knjiga spominov Surely You're Joking, Mr. Feynman (Gotovo se šalit e , g. Feynman) je bila dalj časa po izidu leta 1985 na vrhu najuspešnejših knjig v ZDA. V tej knjig i pripoveduje Feynman tudi o svojem poskusu v ciklotronskem laboratoriju. Poskus nima nič opraviti s ciklotronom. Feynman je le razmišljal o ciklotronih treh univerz, na katerih je študiral ali učil v mladih let ih. V razmišljanje je skril ugotovitev, da največja in najdražja naprava ni vedno naj- Richard Feynman (1918 do 1988), Fotografija ga kaže pri poskusu z vodo z le- dom in tesnilko. V komisiji, k i je leta 1986 razkrivala vzroke za nesrečo vesoljskega leta- la, je Feynman na svoj nač in hitro ugotovil, da je nesrečo povzročila tesnil ka. Pri nizki temperaturi ni oprav ila svoje naloge. 197 uspešnejša. Odločilni so znanje, spretnost in delavnost ljudi, ki napravo upora- bljajo. Pustimo Feynmana do besede : "Nekoč sem v princetonskem ciklotronskem laboratoriju naredil poskus s presenetljivim izidom. V učbeniku hidrodinamike je bila naloga, o kateri so govorili vsi študenti fizike. Naloga se je glasila takole : imate napravo za zali- vanje - cev v obliki črke S z osjo - in voda brizga iz cevi pod pravim kotom proti osi iz naprave , ki se vrti. Vsakdo ve, kako se vrti: umika se iztekajoči vo- di. Vprašanje je, kako bi se naprava vrtela, če bi imeli jezero ali plavalni ba- zen - pač veliko zalogo vode - in bi jo potopili pod vodo in bi vodo sesala, ne brizgala. Ali bi se vrtela enako, kot se vrti, ko brizga vodo v zrak ; ali bi se vrtela v nasprotni smeri? Na prvi pogled je bil odgovor popolnoma jasen. Nerodno je bilo le to , da je bilo za nekoga popolnoma jasno, da se vrti tako, za drugega pa popolnoma jasno , da se vrti drugače. Zato so o tem vsi razpravljali. Spominjam se, da je na nekem seminarju ali čaju študent vprašal profesorja Johna Wheelerja : "Kako vi mislite, da se vrti?" Wheeler je rekel: "Včeraj me je Feynman prepričal,da se vrti nazaj . Danes me je enako uspešno prepričal, da se vrti v nasprotni smeri. Ne vem, v kaj me bo prepričal jutri?" Povedal vam bom razlog, zaradi katerega boste mislili tako, in razlog, zara - di katerega boste mislili drugače. Velja? Če sesate vodo, jo vlečete v šobo, zato se vrti naprava v smeri vstopajoče vode. Toda prišel bo nekdo drugi in vprašal po navoru, ki je potreben, da obdr- žimo napravo pri miru. V primeru, da voda izteka, vsi vemo, da jo moramo tiščati z zunanje strani krivulje zaradi centrifugalne sile vode, ki se giblje po krivulji. Če se giblje voda po enaki krivulji v drugi smeri, še vedno deluje centri- fugalna sila v enaki smeri z zunanje strani krivlulje . Zato sta oba primera enaka in se bo v obeh naprava vrtela enako, če vodo brizga ali če jo sesa. Po premisleku sem se končno odločil za odgovor. Da bi to pokazal, sem želel narediti poskus. V princetonskem ciklotronskem laboratoriju so imeli veli· kansko pleteno steklenico vode. Mislil sem si, da je ravno dovolj velika za po- skus. Poiskal sem kos bakrene cevi in jo zvil v obliki črke S. Na sredi sem zvrtal luknjo, vtaknil vanjo gumijasto cev in jo speljal skozi luknjo v zarnašku, s kate- rim sem zarnašil steklenico. Zamašek je imel še eno luknjo, v katero sem vtaknil drugo gumijasto cev, ki sem jo povezal s posodo s stinjenim zrakom v laborato- riju. S pihanjem zraka v steklenico sem dosegel, da je voda vstopila v bakreno cev, kot da bi jo s to cevjo sesali. Cev v obliki črke S se ni mogla vrteti, zarad i prožne gumijaste cevi pa se je lahko nekoliko zasukala in izmeriti sem hotel hitrost vode po tem, kako visoko je brizgala z vrha steklenice (slika 1). 198 Vse sem sestavil in priključil stisnjeni zrak, pa je reklo "Puup!". Tlak je vrgel zamašek iz steklenice. Nato sem zamašek močno pritrdil z žico, da je ostal na svojem mestu . Zdaj je poskus potekal kar dobro. Voda je brizgala in gumijasta cev se je malo zasukala. Nekoliko sem povečal tlak, češ da bom pr i večji hitrosti vode bolj natančno meril. Zelo skrbno sem izmeril zasuk cevi v obliki črke S in višino vodnega curka iz steklenice' in zopet povišal tlak. Nena- doma se je razpoč ilo vse v vseh mogočih smereh v laboratoriju. Neki opazova- lec je bil tako moker, da se je moral preobleči (kot po čudežu ga niso porezale črepinje), in množica fotografij z meglično celico, ki so jih skrbno naredili ob ciklotronu, se je zmočila. Sam sem bil dovolj daleč in v takem položaju , da sem bil kar suh. Vendar se bom vedno spominjal , kako je velik i profesor Del Sasso, ki je vodil ciklotron, pristopil in strogo rekel : "Začetniki naj delajo poskuse v začetniškem laboratoriju!" " Kaže, da Feynman namenoma ni omenil odgovora na vprašanje. Naj ga vsak bralec poišče sam ! Njegov opis poskusa zares spodbuja k razmišljanju o obratnem brizgalniku. To ime se je namreč prijelo naprave, ki je v American Journal of Physics, posvečenem tudi poučevanju fizike, sprožila živahno razpravo. Ali ne bi bilo smotrno, če bi tudi Presek posnemal Feynmana? Bralci Preseka naj poskusijo odgovoriti na vprašanje: Kako se giblje obratni brizgal- nik? To lahko storijo z razmišljanjem ali s poskušanjem ali z obojim. Odgovor naj pošljejo uredništvu Preseka z dostavkom Obratni brizgalnik. Da za raziskovalce obratnega brizgalnika naloga ne bo pretežka, jim Pre- sek ponuja eno izmed razlag brizgalnika, po mnenju pisca najpreprostejšo. Omejimo se na razmere , ki se s časom ne spreminjajo in uporabimo samo Newtonove zakone v vektorski ob liki. Osredotočimo se na vrtljivi del brizga l- nika, a zato, da se razmere s časom ne spreminjajo, ta del držimo pri miru. Drugi Newtonov zakon pravi v prvotni obliki: Sprememba gibalne količine je sorazmerna s silo in ima smer te sile. Gibalno količino telesa dobimo, ko pomnožimo njegovo maso z njegovo hitrostjo. Tretji Newtonov zakon zago- tavlja: če deluje prvo telo na drugo telo s silo, deluje drugo telo na prvo telo z enako veliko silo v nasprotni smeri. Vektorji so količine, ki imajo velikost in smer - kot hitrost in sila - in ki jih ponazorimo s puščicami. Kako jih seštevamo? Začetek druge puščice postavimo v konec prve in narišemo puščico od začetka prve do konca druge . Puščico z negativnim znakom narišemo tako, da prvotni puščici spremenimo smer. Za začetek vzemimo eno samo cev, ki je na krajišču zavita pod pravim ko- tom. Zavitemu krajišču z luknjico recimo šoba, Cev, po kateri poganjamo konstanten tok vode, naj miruje. Opazujmo del vode z maso m v ravnem delu 199 Slika 1. Feymanov poskus z obratnim curek vode brizgalnikom . (levo) gumijasta cev rr-__u- posoda s stisnjenim zrakom Slika 2. Del vode z maso m vbrizgalniku se giblje pred vstopom v šobo s hitrostjo v, in po izstopu iz nje s hitrostjo v. lal. Sprememba gibalne količine mlv. - v, ) je sorazmerna s silo šobe na vodo (bl , Sila vode na šobo je enako velika, a ima nasprotno smer (c). Dvojica sil, ki jo mo- ramo uravnovesiti z dodatno zunanjo silo, če zadržujemo brizgalnik (dl. Ko brizgalnika ne zadržujemo, ta dvojica pospeši brizgalnik in pri vrtenju s kon- stantno kotno hitrostjo premaguje upor in trenje. Slika 3. Z ozko šobo dosežemo, da se spremeni tudi velikost hitrosti. S tem povečamo silo šobe na vodo in silo vode na šobo. Če brizgalnika ne zadržujemo, se v tem primeru vrti hitreje . pred šobo, ko ima hitrost V; ,in potem , ko zapusti šobo in ima hitrost V2 . Če ima cev enakomeren presek, sta hitrosti VI in V2 enako veliki. Gibalna količina dela vode se spremeni pri prehodu skozi šobo za m (~ - vd, ker deluje nanj šoba s silo. Po drugem Newtonovem zakonu ima sila šobe na del vode smer vektorja m(v2 - vd, ki je enaka smeri vektorja v2+ (- vd (slika 2) . Silo dobimo iz drugega Newtonovega zakona tako, da spremembo gibalne količine delimo s časom, v katerem se sprememba dogodi. Po tem je sila šobe na del vode r = <1> (V2 - VI l. če je <1> = m it masni tok vode, to je masa vode, ki vsako sekundo izteče iz cevi. Ker se razmere ne spreminjajo s časom, se tudi sila šobe na vodo ne spreminja . Po tretjem Newtonovem zakonu deluje šoba na vodo z nasprotno enako 200 LLZ3 ~ v2 <, <, ~, ~'UJ) , . "<, Slika 3 (d) ( c ) (b) (o) Slika 2 ~ sprememba gibalne količine sila šobe na vodo silo kot voda na šobo. Pri cevi brizgaln ika v obliki črke S imamo na krajiščih dve šobi, iz katerih izteka voda v nasprotnih smereh. Ti sili sta nasprotno enaki in ne ležita na isti premici; učeno pravimo, da sestavljata dvojico sil. Če naj se razmere s časom ne spremenijo - na ta primer smo se omejili, moramo z do- datno dvojico sil premagati opisano dvojico sil in doseči, da se cev brizgalnika ne mi. & pa ni dodatnih sil, se cev pi5 mihe pospeibno mti, a tda j ram& re nioo v& prapruste. Vendar nas to ne skrbi u&, saj nam gre le xa to, da ugo- twimo, u W m smer oe vrtl brkgalnik. Ze porrled na sliko Irliki 2 in 31 pove at. Zdaj pmmane mm k, da bralcem Prmka ratelimo velika zabave in uspeha pri ratidcovanju obratnege brizgalnlka. knez Strmd