Pokusy – tlak vzduchu

Příspěvek vznikl v rámci projektů pořádaných o.s. Aisis.

Pokusy - tlak vzduchu

• Rozmačkání plechovky tlakem vzduchu
• Torricelliho pokus s vodou
• Vnikání zkumavky do zkumavky
• Vejce do láhve
• Uzavření zavařovací láhve plamenem
• Gumové Magdeburské polokoule
• Sklenice s papírem (a se síťkou)
• Borcení láhve vypouštěním vody
• Vtékání vzduchu do láhve s vodou
• Stlačování vzduchu
• Oxid uhličitý ve vydechovaném vzduchu
• Kyslík, součást vzduchu nutná k hoření
• Pokusy s ruční vývěvou

Rozmačkání plechovky tlakem vzduchu

Potřeby - akvárium, plechovka od piva nebo limonády, vařič nebo kahan, kožená rukavice.

Provedení: Do plechovky nalijeme trochu vody (asi 0,5 - 1 cm nad dno) a zahřejeme ji až prudkému varu. Otvor můžeme přiklopit mincí. Když voda vře, rukou s rukavicí rychle plechovku překlopíme dnem vzhůru do akvária se studenou vodou. Pára v plechovce rychle zkapalní, tím se sníží tlak v plechovce a vnější vzduch svým tlakem plechovku rozmačká dřív, než do ní nateče voda (ta vlastně plechovku zazátkuje).

Otázky pro žáky:

• Co rozmačkalo plechovku? (Vzduch)
• Proč vzduch nerozmačká plechovku hned, jak z ní vypijeme limonádu? (Vzduch tlačí zvenku stejně jako zevnitř.)
• Jak by pokus probíhal, kdyby plechovka byla tak pevná, že by tlak vzduchu vydržela? (Otvorem by do ní natekla voda.)

  1. Rozmačkání plechovky tlakem vzduchu

Torricelliho pokus s vodou

Potřeby - Torricelliho trubice s vodou (Ariane Schola). Průhledná 10 m dlouhá plastová trubice o průměru 8 - 10 mm zakončená vzduchotěsnou zátkou nebo na konci zatavenou skleněnou trubicí asi 70 cm dlouhou.

Provedení: Trubici pověsíme z okna (aspoň ve výšce 10 m) uzavřeným koncem dolů a naplníme ji obarvenou vodou s několika kapkami Jaru. Plnění probíhá pomalu, protože vzduchové bubliny stoupají vzhůru jen zvolna. Když je trubice zcela zaplněná a je bez bublin, zazátkujeme ji a spustíme tento konec dolů. Druhý, při plnění dolní konec, vytáhneme vzhůru. Poté spodní konec ohneme, jak ukazuje obrázek, a vytáhneme zátku. Žáci zpravidla očekávají, že z trubice začne stříkat voda jako z vodotrysku. Tlak vzduchu však dovolí vytékat vodě jen potud, než se výška hladiny vodního sloupce v trubici ustálí v desetimetrové výšce nad otvorem.

Otázky pro žáky:

• Proč voda z trubice nevytéká, co na ni tlačí? (Vzduch, který obklopuje celou Zemi.)

Vysvětlení pokusu: Vzduch, který tvoří obal Země, tlačí stejně velkým tlakem jako desetimetrový sloupec vody. Na každý centimetr čtverečný tlačí vzduch zhruba stejně, jako kdyby na této plošce stálo kilogramové závaží.

2. Závaží 3. Torricelliho pokus s vodou

Vnikání zkumavky do zkumavky

Potřeby - miska a dvojice zkumavek, z nichž menší je možné lehce zasunout do větší.

Provedení: Větší ze zkumavek naplníme vodou, do ní zasuneme druhou a obě pak rychle nad miskou obrátíme „vzhůru nohama". Přitom do vnitřní zkumavky ještě trochu zatlačíme. Voda z velké zkumavky začne po stěnách menší vytékat a vnitřní zkumavka pomalu leze vzhůru, dokud se její okraj nezarazí u okraje velké zkumavky.

Otázka pro žáky:

• Co tlačí malou zkumavku dovnitř? (Vzduch)

  4. Vnikání zkumavky do zkumavky

Vejce do láhve

Potřeby - půllitrová láhev od mléka, proužek papíru, zápalky, oloupané vajíčko uvařené natvrdo.

Provedení: Proužek papíru složený tak, aby se dal snadno vhodit do láhve od mléka (nebo od kečupu), zapálíme a vhodíme do láhve. Na hrdlo láhve co nejrychleji položíme vajíčko špičkou dovnitř. Vejce začne nejdříve nadskakovat a potom s hlasitým mlasknutím skočí do láhve.

Otázky pro žáky:

• Proč vajíčko zpočátku nadskakovalo? (Tlačil ho zevnitř horký vzduch a plyny vzniklé při hoření papíru.)
• Proč nakonec vejce skočilo do láhve? (Plyny uvnitř se o stěny láhve ochladily, méně tlačily než vzduch zvenku, a ten proto vmáčknul vejce dovnitř.)

Vysvětlení pokusu: Plyny se zahřáním roztahují, a pokud jsou uzavřeny, zvětšují svůj tlak. Při ochlazování plynu v uzavřeném objemu jejich tlak klesá. Na začátku pokusu, při hoření papíru, byl tlak v láhvi větší než venkovní (atmosférický). Nadzvedával proto vajíčko a část plynů unikala ven. Když hoření ustalo, zbytek plynů uvnitř se od stěn láhve ochladil, jejich tlak se zmenšil a venkovní tlak vmáčkl vajíčko do láhve.

5. Vejce do láhve

Uzavření zavařovací láhve plamenem

Potřeby - zavařovací láhev s víčkem, zápalky, proužek papíru.

Provedení: Proužek papíru zapálíme a vhodíme do zavařovací láhve. Na hrdlo láhve za okamžik přitiskneme víčko. Papír za chvilku zhasne a víčko pevně drží na láhvi.

Otázka pro žáky:

• Proč víčko nejde sejmout z láhve? (Zevnitř tlačí plyny méně, než vzduch zvenku.)

Vysvětlení pokusu: Horké plyny vzniklé při hoření papíru se nejdřív roztáhly a částečně unikly ze sklenice. Po přiklopení víčka se o stěny sklenice plyny ochladily, a tím klesl jejich tlak. Na víčko tlačí zvenku větší tlaková síla, která tiskne víčko k láhvi.

Gumové Magdeburské polokoule

Potřeby - Magdeburské polokoule (Ariane Schola).

Provedení: Gumové polokoule k sobě přitiskněte tak, abyste vytlačili vzduch, který je mezi nimi. Vnější tlak drží polokoule u sebe a brání jejich odtržení. Pozor, neodtrhávejte polokoule od sebe velkou silou, hrozí přetržení kroužků.

Otázka pro žáky:

• Proč nejdou polokoule od sebe odtrhnout? (Zevnitř jsme vzduch (částečně vytlačili a vnější větší tlak vzduchu drží polokoule u sebe.)

Sklenice s papírem a síťkou

Potřeby - sklenice se síťkou, pohlednice, pohárek 0,5 dl, ústřižek pohlednice s přilepenou šňůrkou.

Provedení: Na okraj sklenice přilepíme epoxidem nebo jiným kvalitním lepidlem vypnutou bílou síťku (např. ústřižek bílé dámské tenké punčochy) a začistíme okraje žiletkou. Do sklenice, kterou držíme tak, aby nebyla síťka vidět, nalijeme před dětmi až po okraj vodu a přiklopíme pohlednicí. Jestliže sklenici překlopíme „vzhůru nohama", pohlednice drží na sklenici a voda nevyteče. To lze ovšem přednést i se sklenicí bez síťky. Je-li ale sklenice opatřena síťkou, můžeme na závěr pohlednici opatrně sesunout a voda nevyteče ani v tomto případě. Úlohu papíru zastoupí tenká povrchová blanka na vodě mezi očky punčochy. Stačí ale sklenici naklonit nebo s ní nepozorovaně zatřást a voda vyteče. Na pohárek zcela naplněný vodou přitiskneme ústřižek pohlednice se šňůrkou nalepenou uprostřed. Převrátíme-li pohárek, voda nevyteče. Přidržíme papír na pohárku a za šňůrku držíme papír. Pohárek, na němž bude tlakem vzduchu držet (viz obrázek).

Otázka pro žáky:

• Co přidržuje papír na sklenici a pohárek na papírovém ústřižku? (Tlak vody ve sklenici na papír je menší než vnější tlak vzduchu na papír. Tlaková síla vzduchu na pohárek je větší než síla, kterou je pohárek přitahován Zemí.)

  6. Sklenice s papírem a síťkou

Borcení láhve vypouštěním vody

Potřeby - plastová láhev s vypouštěcí hadičkou.

Provedení: Na dolní okraj plastové láhve zapustíme vzduchotěsně trubičku, na níž napojíme hadičku dlouhou aspoň 1 m. Láhev naplníme vodou a umístíme ji tak, aby hadička visela dolů a voda mohla vytékat do připravené nádoby. Při vytékání vody se láhev postupně bortí vnějším tlakem vzduchu.

Otázka pro žáky:

• Proč se při vytékání vody láhev bortí? (Tlak vody v láhvi byl zpočátku stejný jako tlak venkovního vzduchu. Když voda vytékala ven, její tlak poklesl a v souboji v přetlačování začal vítězit venkovní vzduch. Jeho tlaku podlehly i stěny plastové láhve.)

Vysvětlení pokusu: Pokles tlaku v láhvi je dán svislou délkou vodního sloupce. Pokus by se proto nedařil, kdyby hadička byla příliš krátká nebo ležela vodorovně na stole.

7. Borcení láhve vypouštěním vody

Vtékání vzduchu do láhve s vodou

Potřeby - láhev, hadička, akvárium.

Provedení: Láhev naplníme po okraj vodou a její hrdlo vnoříme do nádoby s vodou. Hadičku na jednom konci stiskneme a druhý konec vsuneme do láhve. Jestliže stisk konce hadičky uvolníme, vnější tlak vzduchu vhání trubičkou vzduch do láhve, a ta se postupně vyprazdňuje.

Otázka pro žáky:

• Co vtlačuje vzduch do láhve? (Vnější tlak vzduchu je větší než tlak vody na ústí trubičky v láhvi a vhání proto vzduch do láhve.)

  8. Vtékání vzduchu do láhve s vodou

Stlačování vzduchu

Potřeby - láhev s dlouhou trubičkou utěsněnou vzduchotěsně v hrdle. Horní konec trubičky by měl být zúžený.

Provedení: Do láhve nalijeme vodu asi do čtvrtiny její výšky a láhev uzavřeme zátkou s trubičkou, která sahá těsně nad dno. Vyčnívající trubičkou nafoukáme do láhve vzduch. Když přestaneme foukat, začne z trubičky stříkat voda.

Otázka pro žáky:

• Vysvětli, proč voda stříká z trubičky. (Foukáním jsme do láhve stlačili vzduch, který tlačí na hladinu vody v láhvi a vytlačuje ji trubičkou ven.)

  9. Stlačování vzduchu

Oxid uhličitý ve vydechovaném vzduchu

Potřeby - láhev s vápennou vodou, zkumavka, kádinka, sifonová láhev s CO2, limonádové brčko.

Provedení: Vápennou vodu připravíme rozmícháním páleného nebo hašeného vápna ve vodě. Po usazení kalu u dna slijeme čirou vápennou vodu (hydroxid vápenatý) do láhve. Do kádinky nalijeme vápennou vodu a vypustíme do ní ze sifonové láhve oxid uhličitý. Vápenná voda se zakalí vzniklým uhličitanem vápenatým. Tím se prokazuje přítomnost oxidu uhličitého. Do zkumavky opět nalijeme vápennou vodu a brčkem vydechujeme vzduch z plic tak, aby probublával vodou. Za chvíli dojde opět ke kalení vody. To prokazuje přítomnost oxidu uhličitého ve vydechovaném vzduchu.

Otázka pro žáky:

• Jaký plyn ve vydechovaném vzduchu ukazuje tento pokus?

  10. Oxid uhličitý ve vydechovaném vzduchu

Kyslík, součást vzduchu nutná k hoření

Potřeby - svíčka, sklenice, zápalky.

Provedení: Zapálenou svíčku přiklopíme sklenicí. Plamen svíčky za chvíli zhasne. Kyslík ve vzduchu pod sklenicí, který je při hoření nezbytný, se sloučil s vodíkem a uhlíkem z parafínu na jiné plyny (oxid uhličitý a vodní páru).

Otázka pro žáky:

• Jaký plyn přítomný ve vzduchu je nezbytný pro hoření?

Poznámka: Často prováděný pokus, kdy se sklenicí přiklopí hořící svíčka v misce s vodou a voda vystoupá do sklenice, se většinou chybně vykládá. Tvrdí se, že se kyslík spotřeboval, tj. jakoby ztratil, a jeho místo zaujala voda. Ve skutečnosti jde jednak o přiklopení již rozepnutých horkých plynů a následující smrštění po jejich ochlazení o stěny sklenice, jednak o kondenzaci (zkapalnění) vzniklé vodní páry. Tím dochází ke snížení tlaku plynů pod sklenicí.

11. Kyslík, součást vzduchu nutná k hoření

Pokusy s ruční vývěvou

Potřeby - Ruční vývěva (Ariane Schola), lahvička s trubičkou v zátce, pouťový balónek, scvrklé jablko, malá kádinka se zkumavkou, syrové vajíčko na stojánku Heronova fontánka.

Provedení: Lahvičku naplníme asi do poloviny vodou a zazátkujeme zátkou, kterou prochází trubička (po obvodu vzduchotěsně). Jestliže vložíme lahvičku do nádobky vývěvy a začneme vyčerpávat vzduch, začne z trubičky vystřikovat voda jako z malého vodotrysku.

Otázka pro žáky:

• Co vytlačuje vodu z láhve? (Vnější tlak vzduchu je menší než tlak v láhvi. Tento přetlak v láhvi vyhání vodu trubičkou ven.)

  12. Pokusy s ruční vývěvou