Prečo sa dva balóny nevedia porozprávať v idúcom autobuse? Lebo jeden je naplnený vzduchom a druhý héliom. Bazinga! (výraz Sheldona Coopera zo seriálu Teória veľkého tresku upozorňujúci na výstižný žart, pozn. red.)
Videonávod tohto pokusu, ako aj všetkých predchádzajúcich nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Pomôcky
Uzatvárateľná nádoba s priehľadnými stenami, malý balón alebo pingpongová loptička, niť, lepidlo – tavná pištoľ, voda
Postup
Najprv nafúkneme balón. Priviažeme ho na pevnú niť a tavnou pištoľou niť pripevníme do stredu na dno nádoby tak, aby dĺžka nite spolu s balónom bola kratšia než výška nádoby.
Realizácie
V prvom pokuse nádobu uzavrieme a položíme hore dnom na rovnú podložku. Balón bude visieť voľne v priestore ako lampa uprostred miestnosti. Počkáme, kým sa balón neustáli a prestane sa kývať. Potom nádobu prudko posunieme jedným smerom.
V druhom pokuse necháme balón upevnený v nádobe tak ako v prvom pokuse, ale teraz nádobu naplníme vodou a uzavrieme. Balón teraz bude plávať vo vode. Nádobu opäť položíme na pevný, rovný povrch a necháme vodu ustáliť. Potom nádobu prudko posunieme jedným smerom.
Pozorovanie
V prvom prípade, keď balón visí dole, bude sa správať ako klasický vzduchový balón upevnený na šnúrke. Pri prudkom štarte nádoby balón zostane vzadu a bude oneskorene reagovať na pohyb nádoby. Pri prudkom zabrzdení sa balón bude pohybovať ďalej, akoby predbiehal nádobu. V druhom prípade sa balón bude správať ako héliový balón vo vzduchu, pričom sa bude vznášať. Pri prudkom štarte nádoby sa balón pohne paradoxne smerom dopredu. A pri prudkom zabrzdení sa balón posunie dozadu.
Vysvetlenie
Správanie balóna je vlastne vysvetlené v zákone zotrvačnosti, teda v prvom Newtonovom pohybovom zákone. Inerciálna vzťažná sústava je vzťažná sústava, v ktorej tento zákon platí, t. j. telesá, na ktoré nepôsobí žiadna sila alebo výslednica síl je nulová, zostávajú v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe. To je aj prípad našej uzavretej sústavy. Vnútri nádoby sú však dve telesá, a to balón naplnený vzduchom a tekutina.
V prvom prípade je tekutinou vzduch a v druhom voda. V prvom prípade je balón ťažší ako vzduch a v druhom zasa ľahší. Pri rozbiehaní nádoby sa všetky v nej umiestnené voľné telesá usilujú vzhľadom na inerciálnu sústavu spojenú so zemou zotrvať v pokoji. Takže aj balón vo vzduchu sa snaží zostať v pokoji a posunie sa k zadnej časti nádoby. Keď je tam však voda, ktorá je hustejšia, nahrnie sa k zadnej časti nádoby voda a balón sa pohne dopredu. Pri brzdení nádoby nastáva opačná situácia. Teda balón vo vzduchu sa pohne dopredu a balón vo vode sa pohne dozadu.
Keby teda dva balóny cestovali spolu autobusom a ten by neustále menil smer, brzdil či zrýchľoval, balóny by smerovali každý inde. Pri štarte by vzduchový balón smeroval dozadu a héliový dopredu. Pri brzdení by to bolo naopak. Takže vzduchový balón smeruje proti zrýchleniu či spomaleniu a héliový má ten istý smer ako zrýchlenie či spomalenie.
Ako by sa tieto balóny správali v zákrute? V pravotočivej zákrute nám zrýchlenie smeruje do stredu zákruty, teda doprava. Podľa toho, čo sme sa naučili pri štarte a brzdení teraz už vieme, že héliový balón bude smerovať doprava a vzduchový balón bude smerovať doľava, akoby chcel zostať v pôvodnom smere jazdy.
PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 1/2022. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.