Sbírka fyzikálních pokusů

Padesátník na hladině vody

Pokus číslo: 1957

• Cíl pokusu

  Na tomto experimentu si ukážeme, že lehké předměty mohou plavat na hladině vody.

• Teorie

  Povrch kapaliny se chová jako tenká pružná blána. Položíme-li na hladinu vody lehký předmět, zůstane plavat na hladině a nepotopí se. Tento jev je způsoben povrchovou vrstvou kapaliny.

  Molekuly kapaliny na sebe působí přitažlivými silami. Tyto síly působí jen v malých vzdálenostech a klesají s rostoucí vzdáleností molekul. Kolem každé molekuly si můžeme představit kouli o takovém poloměru, že síly působící na molekulu mimo tuto kouli jsou zanedbatelné. Tato koule se nazývá sféra molekulového působení.

  

  Na molekuly, jejichž sféry jsou uvnitř kapaliny, působí nulová výslednice sil.

  Molekuly, jejichž sféra molekulárního působení zasahuje nad hladinu vody, tvoří povrchovou vrstvu kapaliny. Na molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí okolní molekuly kapaliny přitažlivými silami a výslednice těchto sil působí kolmo od povrchu kapaliny směrem dolů. Tato výsledná síla klesá se vzdáleností od hladiny kapaliny.

  Ve svrchní části sféry působí na molekuly kapaliny v povrchové vrstvě molekuly plynů, které jsou nad hladinou. Výslednice těchto sil je také kolmá k povrchu, ale míří ven z kapaliny. Koncentrace molekul plynu je ale podstatně nižší než koncentrace molekul v kapalině, proto můžeme tuto sílu zpravidla zanedbat (v obrázku není zakreslena).

  Molekuly povrchové vrstvy kapaliny jsou taženy dolů, ale hlouběji v kapalině už není místo. Proto mají molekuly v povrchové vrstě větší potenciální energii než molekuly, které jsou hlouběji.

  Řešená úloha k tomuto experimentu: Plovoucí padesátník.

  V úloze je řešena otázka, zda povrchová síla působící na padesátník stačí k tomu, aby se udržel na hladině. Počítá se také potřebná hloubka zanoření padesátníku. Výsledek úlohy lze tímto experimentem ověřit.

• Pomůcky

  • skleněná miska

  • voda

  • padesátihaléř (místo padesátihaléře můžeme použít i jiné menší mince nebo lehké předměty, např. jehlu, sponku na papír, trsátko)

• Postup

  1. Nalijeme do misky vodu.

  2. Opatrně položíme na hladinu vody lehký předmět, který neklesne ke dnu.

  

• Vzorový výsledek

  Materiál, ze kterého je padesátihaléř vyroben, má větší hustotu než voda. Přesto se mince nepotopí.

  Na obr. 3 můžeme pozorovat zakřivení povrchové vrstvy vody v blízkosti plovoucí mince.

  

  Na obr. 4 je boční pohled na minci.

  

• Metodické poznámky

  • Do vody, na jejíž hladině plave mince, můžeme kápnout saponát na nádobí. Saponát změní povrchové napětí vody a mince se potopí.

• Odkaz na podobný experiment

  Stejný jev demonstruje také experiment Povrchová vrstva kapaliny – plovoucí žiletka.