Nurek w butelce

Heureka! Heureka! Tak Archimedes wykrzyknął, gdy odkrył prawo wyporu. Na nim skupimy się w naszym doświadczeniu. Potrzeba będzie kilka rzeczy:

  •  – pusta butelka plastikowa
  •  – balonik
  •  – kawałek plasteliny

Wykonanie

Do butelki nalewamy wody do pełna. Balonik stanowić będzie naszego nurka. Należy obkleić go plasteliną przy wylocie, aby zwiększyć jego masę – do środka wpuszczamy nieco powietrza. Zamiast plasteliny można użyć innego obciążenia (o gęstości większej niż woda), np. kamyka włożonego do środka –  ja użyłem dwóch niewielkich magnesików. Balonik powinien unosić się na powierzchni wody – przed włożeniem go do butelki można wspomóc się zanurzając go w misce lub szklance, tak sprawdzimy czy na pewno nie zatonie. Po przygotowaniu naszego nurka należy umieścić go w butelce, po czym ją zakręcić. Teraz wystarczy ścisnąć butelkę, aby nasz nurek zanurzył się na dno naczynia. Jeśli po ściśnięciu nurek nie nurkuje, należy go wyciągnąć i usunąć z niego nieco powietrza.

Wyjaśnienie

Nasz eksperyment nazywany jest nurkiem Kartezjusza. Zgodnie z prawem wyporu Archimedesa na każde ciało zanurzone w cieczy (gazie) działa siła wyporu skierowana pionowo do góry równa co do wartości ciężarowi wypartej cieczy (w tym wypadku wody). Woda jest słabo ściśliwa, powietrze, podobnie jak inne gazy, bardzo ściśliwe. Kiedy więc będziemy ściskać elastyczna butelkę, wówczas nasza siła przyczyni się do wzrostu ciśnienia wewnątrz butelki – wzrost ciśnienia gazu będzie rekompensowany spadkiem objętości powietrza. To natomiast wpłynie na średnią gęstość nurka (masa się nie zwiększy, ale jego objętość nieco spadnie). Co za tym idzie siła wyporu zmniejszy się. Przy zwolnieniu nacisku na butelkę powietrze w baloniku ponownie rozpręży się, więc nasz nurek wypłynie do góry.

Nurka można przygotować w taki sposób by nawet niewielki nacisk na butelkę sprawił, że balonik zanurkuje – gęstość przygotowanego balonika musi być zbliżona do gęstości wody (mało powietrza w baloniku). W czasie pokazu warto by nasz nurek miał w sobie więcej gazu, wówczas aby zatonął musimy włożyć więcej siły w ściskanie butelki – najlepiej jeśli nie wszystkim to się udaje 😉

Jeśli ktoś jest leniwy to model nurka Kartezjusza można kupić w sklepie z zabawkami (w dziale zabawek edukacyjnych), jednak cena zestawu to ok. 35 zł – dużo jak na pustą butelkę, i kawałek plastikowego „nurka”. Oczywiście zamiast balonika można użyć innych zamienników, w tym piłeczek do ping-ponga, słomek, próbówek – zasada jest ta sama, prawo Archimedesa nie jest zarezerwowane jedynie dla baloników. 

Zachęcam by wysyłać nam na email Wasze przygotowane nurki Kartezjusza. Umieścimy je w tym artykule, a najciekawsze nagrodzimy.

autor: Łukasz Wyka

Literatura

  1. P.G Hewitt, Fizyka wokół nas, PWN, Warszawa 2015
  2. https://pl.wikipedia.org/wiki/Nurek_Kartezjusza
  3. http://weirdscience.eu/Nurek%20Kartezjusza.html