V minulom čísle sme si ukázali, ako nás môžu kamera a videozáznam oklamať, a že to, čo vnímame okom, môže vyzerať inak. V tomto experimente si ukážeme, že pomaly tečúca voda môže pôsobiť ako sklené umelecké dielo bez pohybu.
Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Pomôcky
Balóny, lepiaca páska (elektrikárska – pružná a vodovzdorná), nožnice, skalpel alebo nožík, voda, miska ako podstavec a miesto, kde môže voda voľne odtekať
Postup
Keďže potrebujeme balón dostatočných rozmerov, použijeme bežné vzduchové balóny, aby sme mohli jav pozorovať čo najdlhšie. Je vhodné mať k dispozícii viacero balónov na zopakovanie pokusu.
Balón naplníme vodou a uzavrieme. Uložíme ho do misky otvorom smerom nadol tak, aby v nej pevne držal a pri zmene tvaru nevypadol. V jeho spodnej časti vytvoríme pomocou lepiacej pásky štvorec obklopený páskou. Štvorec prepichneme tak, aby sme nenarušili okraje lepiacej pásky.
Pozorovanie
Vytvoreným otvorom v balóne začne vytekať kvapalina, ktorá udržiava stály tvar. Na pohľad sa zdá, akoby to ani nebola tekutina, ale kúsok skla špeciálneho tvaru. Prúd vyzerá staticky nielen na kamere, ale aj naživo. Kamera len ohraničí priestor, na ktorý sa sústredíme, a teda vymedzí úsek prúdu, ktorý chceme pozorovať.
Prúd sa javí nestaticky až v určitej vzdialenosti od otvoru, kde sa chveje a pripomína skôr tečúcu vodu. Ak máme dostatok priestoru, môžeme na jeho konci pozorovať tvorbu oddelených kvapiek. Na prúde vody si možno všimnúť aj tvorenie špirály. Prúd nemá prierez presného kruhu, ale akejsi elipsy, ktorá sa v priestore otáča, a tak vytvára efekt retiazky.
Vysvetlenie
Laminárne prúdenie je ustálené prúdenie reálnej kvapaliny malou rýchlosťou. Obraz prúdnic je stály, vrstvy kvapaliny sa po sebe pravidelne posúvajú. Toto prúdenie sa môže udržať iba do určitej kritickej rýchlosti. Po jej prekročení môžeme zreteľne pozorovať vírenie kvapaliny a nestálosť obrazu vytvorených prúdnic. Vzniká turbulentné prúdenie, čo je nepravidelný pohyb tekutín po nepravidelných dráhach a nepravidelnou rýchlosťou.
Pri prasknutí balónu vzniká laminárne prúdenie, ktoré dokáže oklamať naše zmysly a nám sa zdá, akoby voda stála. Hoci sa jednotlivé prúdnice po sebe posúvajú, my vnímame prúd ako stabilný. Otvor sme vyrezali skalpelom, a tak je väčšinou v tvare elipsy a nie ideálneho kruhu. Vďaka tejto nesymetrickosti otvoru sa prúd točí a vytvára špirálu pri toku smerom dole. V dôsledku gravitácie a zvyšovania rýchlosti pádu sa jav laminárneho prúdenia v určitej vzdialenosti od balónu stratí. Voda sa začne chvieť, až sa vďaka povrchovému napätiu vody roztrhá na jednotlivé kvapky, ktorých pohyb už vnímame.
Reynoldsovo číslo
Takto môžeme pozorovať, že zmena prúdenia z laminárneho na turbulentné prichádza so zvyšovaním sa rýchlosti prúdenia tekutiny. Hranicu medzi týmito dvomi prúdeniami určuje tzv. Reynoldsovo číslo (Re), ktoré dáva do vzájomného pomeru zotrvačné a viskózne sily pôsobiace pri prúdení tekutín. Vzťahov na výpočet existuje mnoho, pretože Reynoldsovo číslo má veľmi široké využitie (napr. v chemickom inžinierstve či letectve) a voľba konkrétneho vzťahu závisí od situácie.
Hodnota Re, pri ktorej nastáva prechod prúdenia z laminárnej oblasti do turbulentnej, sa nazýva kritické Reynoldsovo číslo. Väčšinou sa stanovuje experimentálne pre konkrétne prípady. Pre prúdenie ideálnej kvapaliny platí, že Re je nekonečné (pretože dynamická viskozita ideálnej kvapaliny je nulová), a teda prúdenie je pri každej rýchlosti dokonale laminárne. Reálna kvapalina má, naopak, nenulovú viskozitu, a tak sa pre dané podmienky vždy dá nájsť kritická rýchlosť, pri ktorej sa prúdenie kvapaliny mení z laminárneho na turbulentné.
PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Foto a video Stanislav Griguš
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
