Rovnice spojitosti a šíření virů

S využitím jednoho jednoduchého fyzikálního experimentu lze žákům vysvětlit také princip šíření virů, např. při kýchnutí. Popis přípravy experimentu a jeho využití ve výuce fyziky je uveden níže.

Příprava pomůcky

K vyrobení pomůcky, se kterou experiment provedeme, budeme potřebovat pouťový balonek a láhev z tvrdého plastu (viz obr. 1); obyčejné PET láhve jsou nevhodné, protože jsou vyrobeny z příliš měkkého plastu. Dále budeme potřebovat nůž nebo nůžky a k vlastnímu experimentu ještě svíčku a zápalky.

1. Pomůcky k experimentu Autor díla: Jaroslav Reichl

U láhve z pevného plastu uřízneme dno; dbáme přitom na to, aby řez byl rovný a nebyly na něm ostré výstupky. Pouťový balonek rozstřihneme tak, abychom, řečeno jazykem geometrie, mohli využít celý jeho plášť (Dovnitř nenafouknutého balonku zasuneme jednu čelist nůžek, mírně napneme gumový materiál balonku a střihneme.) Vzniklou blánu pak napneme a natáhneme na sestřižený konec láhve. Tím je pomůcka připravena k použití.

Provedení experimentu

Kromě vyrobené pomůcky budeme potřebovat ještě svíčku (v nějakém stojánku, aby mohla bezpečně hořet) a zápalky. Svíčku ve stojánku postavíme na demonstrační stůl a zapálíme ji. Upravenou láhev držíme ve vodorovné poloze hrdlem asi 5 cm až 10 cm od hořící svíčky tak, aby žáci sedící ve třídě dobře viděli láhev i hořící svíčku (viz obr. 2).

2. Pomůcka připravená k experimentu Autor díla: Jaroslav Reichl

Prsty jedné ruky mírně poklepáváme na blánu z balonku nataženou na láhev a sledujeme plamen svíčky. Ten se pohybuje v rytmu klepání prstů na blánu. I při relativně slabém ťukání na blánu se pohybuje plamínek svíčky poměrně znatelně – viz obr. 3 a obr. 4.

3. Průběh experimentu – první krok Autor díla: Jaroslav Reichl

4. Průběh experimentu – druhý krok Autor díla: Jaroslav Reichl

Ťukneme-li na blánu silněji, můžeme dokonce proudem vzduchu z láhve plamen svíčky zhasnout (viz obr. 5).

5. Průběh experimentu – třetí krok Autor díla: Jaroslav Reichl

Vysvětlení experimentu

Vysvětlení experimentu vyplývá z platnosti rovnice spojitosti (rovnice kontinuity). Podle ní je součin obsahu průřezu S otvoru, kterým proudí určitou rychlostí ideální kapalina, a velikosti této rychlosti v konstantní, tj. platí: `S*v=konst.` Podle obr. 6 můžeme psát rovnici spojitosti též ve tvaru: `S_1*v_1=S_2*v_2` . V uvedených tvarech platí rovnice spojitosti skutečně jen pro ideální kapalinu, která má konstantní hustotu. V obecném případě, kdy budeme uvažovat proudící tekutiny, platí kvalitativní závěr: s rostoucím průřezem otvoru klesá velikost rychlosti, kterou tekutina otvorem proudí, a naopak, zmenšuje-li se průřez otvoru, roste velikost rychlosti tekutiny proudící tímto otvorem.

6. Rovnice spojitosti – schematický náčrtek Autor díla: Jaroslav Reichl

V provedeném experimentu uvádíme ťukáním do blány do pohybu vzduch v láhvi. Malé ťuknutí způsobí jen malou velikost rychlosti vzduchu uvnitř láhve. Vzduch ale prochází otvorem, který má řádově menší průřez, než je plocha blány (tj. průřez dna láhve). Proto se vzduch při opuštění láhve pohybuje relativně velkou rychlostí, a tak ovlivňuje plamen svíčky. Je-li velikost rychlosti proudícího vzduchu dostatečně velká (tj. je-li i příslušné ťuknutí na blánu silnější), sfoukne proud vzduchu plamen svíčky.

Praktické důsledky

Právě provedený experiment lze použít jako varování před šířením virů a bakterií od nemocného člověka. Je-li člověk nachlazen, dá si sice při kýchnutí instinktivně ruku před ústa, ale to nestačí. Mezi prsty mohou zůstat drobné mezery, kterými se bude vzduch spolu s viry a bakteriemi šířit relativně velkou rychlostí, což vyplývá z právě popsaného experimentu. A viry či bakterie, které se pohybují velkou rychlostí, mají i velkou kinetickou energii, a proto doletí dále, než svůj pohyb vlivem odporu vzduchu zpomalí.

Proto je výrazně účinnější dát si při kýchnutí před ústa kapesník; látka kapesníku většinu virů a bakterií zachytí a nehrozí riziko šíření nákazy.