“354-Scavnicar-Nenavadno” — 2010/3/29 — 12:16 — page 1 — #1 List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 6 (1978/1979) Številka 2 Strani 85–89 Stevo Ščavničar: NENAVADNO NIHALO Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/6/354-Scavnicar.pdf c© 1978 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. NENA VADNO NIH ALO Vemo, da j e slana voda gos t ej š a od s lad ke. če vl ijemo koza rec s l a ne vode v lo nec či s t e vode , potone s l a na voda na dno . Lahko pa opazuj emo tudi bol j zan imi ve poj ave. Naredimo takole : V visok, prozoren kozare c natoč imo mrzlo vodo iz vodovodne pi- pe ta ko, da bo gladina segala s koraj do r oba. Z iglo p reluknj~ mo dno pa pirnate ali plasti čne č a še tako , da bo luk njica lepo okrogla. Nato s i pripravimo slano ra ztopino. Paziti moramo, da s e s o1 pop ol nam ara z to pi . Raz top ino tu d i oba r vamo, das eba med poskusom ločila od či ste vode; zelo pr i mer no barvilo je hi perma ngan. Sedaj z a čn emo spuščati č aš o v koza r e c tako, da va - njo istoč as no naliv amo raztopino. čaša na j bo na koncu pot op- ljen a do dveh tret jin , raztopi na v ča š i in voda zun aj nje pa na j bosta v isti višini. Na koncu moramo čašo pritrdit i. Lahko pos kusimo z dvema pali čicama, ki ju z l epilnim trakom pritrdi- mo na čašo, ali pa ka ko dru ga če. (Slo 1 ) Pri ča kava1i bi, da bo nekaj obarvane s lane vode ste klo skozi luknjico, dokler se ne bo gladina vode toli ko zniža- la, da bo tlak ob lu knjici z obeh strani enak . Zares lahko opazimo nekaj minut trajajoči cur e k sla nev ode i zlu knji ce v dnu ča še. Vendar se za tem, ko zadnja sled curka izgine in se na videz ne dogaja nič več, nikar ne obrnite proč ! V kratkem se cure k spet pojavi in zgod ba se začne ponavl jati: curek teče, pojenj a, izgine, nekaj časa se na vide z ne do- gaja nič, nato privre curek ... Pojav se ponavlja s precej Slo 1 3 5 kon stantno per iodo . Dogaja pa se še t ole : medtem ko obar vani cu r e k ni viden , t e če č i s ta voda gor v čašo. če pogledamo zelo pazljivo, lahk o to tud i opazimo na gladini obarv ane razto pine v ča ši; le ta je za radi cur ka nekoliko izbočena. Perioda nihanja j e odv i sna v glavnem od vel i kosti lu knj i ce in ma nj od koncentra cije raztopine . Pri našem poskusu se je pojav ponavljal prek n o či približno z isto · periodo kljub neprestane- mu zmanjševanju koncentracij e soli zaradi mešanja . Sis t em smo i me nova l i kar solno nihalo. Prvi del toka ni težko razložiti . Slana voda v č aš i je v za- č e t k u en ako vi soko kot č i s t a vod a zuna j nje , ker pa je gostej- ša , j e tlak ob luknjici v čaši večji od tlak a v čisti vodi zu- naj . Sl a na voda zato te če s kozi lu knji co, dokler s e tlaka ne izenačita . Uganka pa je , zakaj s e s istem ne umiri, ko tok i z- gine. St a nj e, v katerem je gost ejša tekočina nad red kejšo, je labil- no. Vsaka majhna, naklju čna motnja p ovzroči, da neka j redkejše tekočine prodre navzgor, nek aj gostejše pa navzdol. či sta voda, ki je prodrla v čaš o , se dv igne pospeš eno proti gladini, ker je redkejša od okoliške slane vode, slana voda , ki j e prodr la v čisto vodo pa pade proti dnu . O čitno kmalu zatem cu rek č iste vode izpodrine cu rek slane vode , saj opazujemo tok č iste vode navzgor s koz i luknjico (S lo 2) . Zarad i tega se viša nivo vode v č aš i in s tem tlak ob luknj i ci. Končno ta toliko nara ste, da zaustavi tok čiste vode. Sedaj smo spet na začetku c i kl a . V ča ši je preveč vode in dokler se tlaka ne izravnata , imamo tok navzdol. Potem naključne motnje znova poženejo navzgor curek čiste vode. Nestabilnost na meji med redkejša tekočin o in gost ejšo tekoči­ no nad njo, ki sta sicer v ravnovesju , imenujemo Reyleighovo ali v časih Rayleigh~Taylorjevo nestabilnost . Igra s sol nim nihalom utegne biti prav zanimiva, pa tudi mar- sikaj lahko raziščete, saj pojav ni do podrobnosti poznan. Lah 8 6 ko pos kušate ugotoviti, na primer , ka ko je nihajni čas odvisen od premera luknjice, od gostote raztopine, od preseka kozarca in č a š e ob gladini, .. . Mogoče vam bo uspelo oceniti, koliko vode steče v č a s u ene periode in s tem podatkom izračunati raz li ko tl a kov ob lu knjici v trenut ku , ko se pojav obrne. Koliko č a s a tak sistem niha, je prav gotovo odvisno od začetne gos t ote, pe riode in množine vode, ki se meša v sistemu. Za pr i me rjavo na j pove m, da je naš "rekorde r" v ztrajal v nihanju več ko t tri dni ! In še koristen nasvet tistim, ki bodo nas kakova li časov n i r e kord: ker je v vodi, ki priteče iz pipe, raztoplje- nega precej kisika, jo je dobro prej prekuhati. Na steni poso- de in ob lu knjici se sice r naberejo mehurčki zraka , ki ne le da za s t i r a j o pogled, marveč lahko t udi zamaše lu knjico ali pa spremene njen pres ek in s tem nihajni čas. še nekaj rezultatov za primerjavo: čaša, v kateri je nihanje vztrajale najdlje, je ime la luknj ico s premerom 0.3mm, nihanje je imelo periodo 55 s e kund , . Največja luknji ca , pri kateri nam je še uspelo vzpo- stav iti nihanje , je merila v premeru 1. 2mm, nihajni čas pa je znašal 9 se kund . Pri lončkih z luknjicami med 0.3 in 1.2 mm pa je bil niha jni ča s med 10 in 50 sekundam i. Sl. 2 8 7 Lahk o pa pos kus it e tudi z dr ug imi t eko fi nami . Ni nit i t r eb a , da s e me ša j o , edini pogoj j e , da j e gostejš a tek of i na v fa š i na vrhu . Lahk o bi pos kus ili s ko'nc e n t r a t om mal inovca i n č i s t o vodo. Na kon cu bi lahk o popi l i v sa ko tekofi no posebej . Skr a tk a, pr ed va mi j e ce la vr s ta zan i miv ih nal og . Pos kus i t e , mog ofe bo pri š el kdo do za nimivi h re zu ltatov i n z ve s e l j em jih bomo objavili . Na kon cu si ogl ejmo š e e n poj av, ki ga r a zl ož i mo z Rayle ig hov o ne stabiln ostjo . Ze od prej ga po zn amo kot st ar tr i k, s kat er im se ponašam o pred mlaj šim i . Ee namref na pol nimo koza rec z vodo , ga zapr em o z li st om papirj a in vse skup a j obrne mo okrog, držef pap i r na mestu, vod a ne bo odt ekla, č e tu d i pot em r oko odm a kne - mo . V kozarcu vodni s teber nekoliko pade in t a ko s e zmanjš a tl ak zraka , ki je š e uj et v kozar cu , Zuna nji zrak, ki pr it iska na pa pi r, lahk o t ak o uravn ove si te žo vod e v kozar c u . začetna višina vode I I I I I II! I ~Ikzunanji ta Sl . 3 88 Zamislimo si,'da bt papdr v trenutku f z g i n i l , ne da b i zmotil povrfino vode. K a j b l se zgadilo? I tkugnja nam p r a v i , d a b i YE da odtek ln . Ce pa bi povrgina lahke ostala popolnona nemtena, bf na b i l o nobenega rat toga , da b i voda s t e k l a ven. Razlfka t Iakov b i ge vedno lshko obdrZala voda v kozarcu. Yoda seveda I z t e t e , sad povrSIna ne more o s t a t i nemotena. Ta- ko j po odstranitvi paplrja nakl fwEne mofnje poru;Sijo ravnoves- j e na mejni ploskvi tako k s t pr l solnem nihalu. Rehur se zaEne v t d i g o v a t i ha eni ttrani Ease, po drugi strani pa zaEne odtt- k a t i voda navrdal fn tako inamo kar hf tro mokra t l a (S1 . 3 )