Długo zastanawiałem się jaki świąteczny eksperyment przygotować. Wpadłem na pomysł ubierając choinkę, w tym roku zabrałem się za to szybko, więc jeśli ta czynność jeszcze przed Tobą zachęcam do wykonania doświadczenia. Choć pozornie proste, jego wytłumaczenie może być prawdziwym wyzwaniem dla fizyków, bo efekty które zachodzą wydają się być nieprawdopodobne.
Sprzęt i odczynniki
– koralikowy łańcuch na choinkę (najlepiej wykonany z plastiku, ale jeśli masz na choince łańcuch metalowy prawa fizyki też powinny zadziałać)
– naczynie z grubą ścianką, np. wazon
Wykonanie
Łańcuch choinkowy włóż do naczynia sprawdzając czy poszczególne koraliki nie są splątane. Jeden z końców wystaw poza naczynie. Nic się wówczas nie dzieje. Następnie unieś naczynie lekko do góry. Teraz lekko pociągnij wystającą końcówkę łańcucha i obserwuj zachodzący proces. Momentalnie cały łańcuch „wypłynie z naczynia”, co wydaje się wbrew logice. Im posiadasz dłuższy łańcuch tym bardziej efektownie wygląda doświadczenie.
Wyjaśnienie
Masa i energia są z sobą silnie związane. Zgodnie z zasadą zachowania energii w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie nie może być ani utworzona z niczego, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Ciała będące w spoczynku mają dużą energię potencjalną, a będące w ruchu kinetyczną. Łańcuch w naczyniu ma dużą energię potencjalną, a jego energia kinetyczna równa się zero. Jeżeli zadziałamy na ciało siłą to energia kinetyczna ciała rośnie, a potencjalna dąży do zera. To doświadczenie, w sporym uproszczeniu, znakomicie demonstruje I zasadę dynamiki Newtona: jeśli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jest to dość dziwne, bo nasz łańcuch zachowuje się jakby faktycznie nie działały na niego żadne inne siły jak tylko ta, którą my przyłożyliśmy wprawiając go w ruch. Tu swoją rolę odgrywa masa koralików. Łańcuch koralikowy wykonany z tworzyw sztucznych lub metalu jest cięższy niż te wykonane z papieru lub tkanin. Im większa masa łańcucha, tym większa jego bezwładność definiowana jako to zdolność ciał do przeciwstawiania się wszelkim zmianom ruchu. Długie łańcuchy z papieru trudno obdarzyć na tyle dużą siłą, by przeciwdziałała ona siłom oporu powietrza i tarcia łańcucha o naczynie.
Dodatkowo łańcuch wykonany z wielu plastikowych koralików może zachowywać się jak jedno jednorodne ciało – jak długi łańcuch polimerowy. Jeżeli chociaż jeden koralik wystawiony poza naczynie znajdzie się poniżej poziomu innych koralików to zachowa się jak ciecz w naczyniach połączonych – będzie dążyć do wyrównania „ciśnienia hydrostatycznego” (do uzyskania takich samych poziomów), zmienionego przez siły grawitacji i bezwładności.
Wszystkie mechanizmy tego doświadczenia nie są jeszcze do końca znane. Z odpowiednio długim łańcuchem można zaobserwować jeszcze więcej niezwykłych zjawisk, np. w tym zmianę prędkości wypływu łańcucha wraz ze wzrostem wysokości.
Zachęcamy by obejrzeć także poniższy film, by faktycznie zobaczyć że to magiczne doświadczenie (przy okazji pozdrawiamy autora 😉 ):
http://www.youtube.com/watch?v=6ukMId5fIi0
Autor: Łukasz Wyka
Źródło:
M.A. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie i studentów, Polskie Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 2012
http://pl.wikipedia.org/wiki hasła: zasady dynamiki Newtona, bezwładność, hydrostatyka