Fyzika reťazovej fontány

Minulý mesiac sme vám sľúbili pokus, ktorý dokazuje, že rýchlosť pádu reťaze môže ovplyvniť fakt, že dopadá na podložku. Zároveň vám ukážeme, že reťaz, ktorá je vytrhávaná z nádoby, tlačí na reťaz pod sebou, a teda sila reakcie vymršťuje reťaz z nádoby.

Videonávod týchto experimentov, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na webstránke video.matfyzjein.sk/experimenty.

Dôkaz č. 1

Pomôcky: nitka, aspoň 12 zápaliek bez hlavičky, sekundové lepidlo, vysokorýchlostná kamera

Postup: Na dve paralelné nite nalepíme zápalky tak, aby vytvorili cikcakový rebrík, ako je znázornené na obrázku. Takto vytvorený rebrík necháme padať na stôl a jeho pád zaznamenáme. Následne z rovnakej výšky necháme ten istý rebrík padať vedľa stola voľným pádom a aj tento pád zaznamenáme. Obe nahrávky spojíme do jedného záberu a porovnáme rýchlosť pádu.

Pozorovanie: V našom prípade sme použili 12 zápaliek. Rebrík, ktorý padal mimo stola, sa oneskoril v porovnaní s tým, ktorý dopadal na stôl, o tri snímky, čo v našom prípade zodpovedalo času 1/60 sekundy.

Vysvetlenie: Tento pokus nie je pozorovateľný voľným okom. Keby sme však rebríky predĺžili, rozdiel v čase pádu by bol zrejme výraznejší.

V každom prípade sme zaznamenali, že rebrík dopadajúci na stôl padal rýchlejšie než ten, ktorý padal voľným pádom vedľa stola. Záhada sa skrýva v reakcii podložky. V okamihu, keď sa jeden koniec zápalky dotkne stola a zastaví sa, druhý koniec sa musí začať pohybovať rýchlejšie, aby bol zachovaný zákon zachovania momentu hybnosti. Tým sa urýchľuje celkový pád rebríka.

Toto je zároveň čiastočné vysvetlenie februárového pokusu. Ak sa pokúsime guľôčkovú reťaz ohnúť, zistíme, že nie je dokonale pružná a v ohybe vytvára oblúk. John Biggins a Mark Warner z Cambridgeskej univerzity si guľôčkovú reťaz v myšlienkovom experimente nahradili dlhšími kvádrami pospájanými niťami, čo sa už veľmi podobá nášmu cikcakovému rebríku.

Keby sme experiment s reťazovou fontánou zopakovali s plastovými guľôčkami, napríklad s bežnými ozdobami na vianočný stromček, zistili by sme, že fontána nefunguje tak výrazne. Dôvodom je to, že takúto reťaz vieme ohnúť takmer dokonale. Aj týmto spôsobom si teda môžeme overiť vhodnosť reťaze na daný pokus.

Dôkaz č. 2

Pomôcky: guľôčková reťaz, vodorovná podložka (stôl), vysokorýchlostná kamera

Postup: Reťaz uložíme na stôl do tvaru znázorneného na obrázku, pričom jej koniec necháme prevesený cez okraj stola. Poznačíme si pôvodnú polohu reťaze na stole. Voľný koniec potom necháme padať cez okraj.

Pozorovanie: Naukladaná reťaz sa postupne odvíja v dôsledku padajúcej časti. Pri tomto pohybe však tlačí na zvyšok reťaze ležiacej na stole a posúva ju smerom preč od smeru pádu.

Vysvetlenie: Padajúca reťaz nie je dokonale pružná. Pri jej odvíjaní sa preto dochádza k tlaku na reťaz, ktorá zostáva na stole. Keďže táto časť nie je nijako upevnená, začne sa pohybovať smerom preč, teda opačne, než je smer pádu.

Tento pokus nám ukazuje, že reťaz, ktorá je vo fontáne vyťahovaná smerom nahor, tlačí na podložku – teda na nádobu, v ktorej je uložená. Reakciou nádoby je sila, ktorá reťaz, naopak, vystreľuje smerom nahor.

Keby sme dokázali počas pohybu reťaze nádobu zvážiť, zistili by sme, že je ťažšia než nádoba s reťazou v pokoji. Vzhľadom na rýchle ubúdanie reťaze a neustálu zmenu jej hmotnosti však tento jav v praxi nevieme priamo zachytiť.

Zhrnutie

Teraz už vieme, že reťaz je urýchľovaná jednak reakciou nádoby na jej pohyb, ale aj dopadom na zem. Môžeme teda potvrdiť, že padá rýchlejšie, než by to zodpovedalo voľnému pádu. Disponuje tak dodatočnou energiou, ktorú premieňa na fascinujúce obrazy reťazovej fontány.

Autorka článku: PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Foto a video: Stanislav Griguš
Ak experiment vyskúšate, svoje realizácie môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.