Odborný článek

Kouzelný kelímek

12. 1. 2010 Gymnaziální vzdělávání
Autor
Jaroslav Reichl

Anotace

Problémový experiment, který má praktické využití při přečerpávání kapaliny z jedné nádoby do druhé, aniž můžeme nádobu, z níž kapalinu čerpáme, zvednout a kapalinu přelít.

V životě se lze setkat se situacemi, kdy je nutné přemístit kapalinu z jedné nádoby do druhé, aniž bychom mohli nádobu, z níž chceme vodu odebrat, vzít do rukou a kapalinu prostě vylít (např. výměna vody ve velkém akváriu, přelévání vína do demižonů z velkého sudu apod.). Pochopit základní princip takového čerpání vody může i experiment popsaný v tomto příspěvku.

Příprava experimentu

K vyrobení pomůcky budeme potřebovat velký kelímek od jogurtu a část slámky na pití, která má ohebné kolínko, lepidlo a nůžky. Nažhaveným hřebíkem (od plamene kahanu nebo od hořáku sporáku) nebo průbojníkem uděláme do středu podstavy kelímku otvor, do kterého jde zastrčit slámka. Slámku si připravíme délky zhruba 10 cm tak, aby uprostřed bylo ohebné kolínko. Slámku zevnitř kelímku zastrčíme do připraveného otvoru ve dně a zajistíme lepidlem. Slámku v kolínku ohneme tak, aby se druhý konec slámky dotýkal dna kelímku a zároveň pláště kelímku (viz obr. 1). Pokud nechceme, aby žáci soustředili pozornost na reklamy na kelímku, polepíme kelímek bílým papírem.

Najít rovinný obrazec, kterým lze přesně polepit plášť kelímku, může být případně úkol pro nadanější žáky. Kelímek totiž není přesně válcový, ale má tvar komolého kuželu, a proto není jednoduché předem určit rovinný obrazec, který je jeho pláštěm.

Pohled do hotové pomůcky
1. Pohled do hotové pomůcky

Provedení experimentu

K vlastnímu provedení experimentu ve třídě budeme potřebovat ještě skleničku nebo menší kelímek (např. od kávy z automatu). Připravený kelímek vezmeme do ruky a zvedneme nad umyvadlo nebo připravenou pomocnou nádobu tak, aby žáci neviděli slámku, která je v jeho dně. Skleničkou do kelímku budeme opatrně přilévat vodu. (Je vhodné si předem vyzkoušet, kolik vody je nutné do kelímku pro zdárný průběh experimentu nalít, a najít skleničku vhodného objemu.) Z kelímku žádná voda nevytéká.

Najednou ovšem voda z podstavy kelímku (ze slámky, která do dna ústí) vytékat začne. Přestaneme do kelímku lít další vodu a pozorujeme, že z něj voda vytéká dál. Je-li slámka uvnitř ohnutá skutečně až ke dnu, vyteče téměř všechna voda, kterou jsme do kelímku nalili.

Vysvětlení experimentu

Ačkoli je slámka ponořená už poté, co nalijeme relativně málo vody do kelímku, voda z ní začne vytékat až v okamžiku, kdy bude v celé slámce, tj. i v jejím druhém rameni, které ústí do dna kelímku.

Ve slámce byl na počátku experimentu vzduch o atmosférickém tlaku; stejný tlak měl i vzduch nad hladinou vody v kelímku, tak i pod ním. Voda ve slámce stoupala jako ve spojených nádobách až do okamžiku, kdy dosáhla k nejvyššímu místu slámky (k ohnutému kolínku).

Další plnění slámky vodou bylo způsobeno rozdílem tlaků nad a pod hladinou vody ve druhé části slámky. Pod hladinou vody ve slámce byl atmosférický tlak, nad hladinou vody byl atmosférický tlak zvětšený o hydrostatický tlak vodního sloupce výšky h (viz obr. 2). Rozdíl těchto tlaků způsobil naplnění i druhé části slámky.

Když jsme přestali vodu do kelímku dolévat, voda ze slámky vytékala do té doby, dokud v kelímku vytvářela hydrostatický tlak vodního sloupce výšky h (viz obr. 3). Když v kelímku nebyla voda, resp. se do slámky začala nasávat směs vzduchu a vody, voda ze slámky přestala vytékat.

Náčrt řešení - plnění slámky
2. Náčrt řešení – plnění slámky
Náčrt řešení - vytékání vody
3. Náčrt řešení – vytékání vody

Licence

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.

Autor
Jaroslav Reichl

Hodnocení od uživatelů

Článek nebyl prozatím komentován.

Vaše hodnocení

Ohodnoťte hvězdičkami:

Váš komentář

Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.

Článek není zařazen do žádného seriálu.

Klíčové kompetence:

  • Gymnázium
  • Kompetence k řešení problémů
  • vytváří hypotézy, navrhuje postupné kroky, zvažuje využití různých postupů při řešení problému nebo ověřování hypotézy;

Průřezová témata:

  • Gymnaziální vzdělávání
  • Environmentální výchova
  • Člověk a životní prostředí

Organizace řízení učební činnosti:

Frontální, Skupinová

Organizace prostorová:

Školní třída

Nutné pomůcky:

kelímek od jogurtu, slámka na pití s ohebným kolínkem, list papíru, nůžky, lepidlo, sklenička