Povrchová vrstva kapaliny – plovoucí žiletka
Pokus číslo: 1692
Cíl experimentu
Cílem je demonstrovat existenci povrchové vrstvy vody.
Pomůcky
Nádoba na vodu – např. kádinka nebo miska, voda, žiletka, kancelářské sponky.
Teorie
Naše každodenní zkušenost říká, že to, zda se předmět v kapalině potopí nebo bude plovat na hladině, závisí na poměru jeho hustoty a hustoty příslušné kapaliny. Pokud je hustota předmětu větší než hustota kapaliny, předmět klesne na dno nádoby. V opačném případě bude předmět plovat na hladině.
V tomto experimentu si ukážeme, že i předmět z materiálu o větší hustotě, než jakou má okolní kapalina, se může udržet na hladině. Proč tomu tak je? Povrch kapaliny je zřejmě schopen působit na tělesa na hladině ještě jiným typem síly – tzv. silou povrchovou, která míří vzhůru a zabraňuje tak potopení tělesa. Povrchová síla je projevem existence povrchové vrstvy kapaliny. Aby se předmět udržel na hladině, musí platit rovnováha sil, to znamená, že výslednice tíhové síly, vztlakové síly na ponořenou část předmětu a povrchové síly musí být nulová.
Postup
Do nádoby napustíme vodu. Položíme žiletku naplocho na hladinu vody a pozorujeme chování hladiny.
Výsledek pozorování
Po položení žiletky na hladinu vody pozorujeme prohnutí hladiny pod žiletkou.
Technické poznámky
Při pokusu je nutná značná opatrnost, aby nedošlo k pořezání experimentátora.
Pokládání žiletky na hladinu vody nevyžaduje přílišnou zručnost – žiletka se udrží na hladině, i když ji na vodu pustíme z výšky několika centimetrů.
Je lepší, když je nádoba na vodu mělká a široká. Je pak lépe vidět prohnutí hladiny pod žiletkou.
Pokud necháte žáky zkoušet tento experiment samostatně, upozorněte je na nutnou opatrnost a možnost zranění o ostrou hranu žiletky.
Metodické poznámky
Experiment lze před žáky postavit jako problémovou úlohu: Žiletka je vyrobená ze železa (materiálu s vyšší hustotou než má voda), takže by se měla potopit. To se ale nestane, což odporuje naší zkušenosti, a mohlo by se zdát, že žiletka tak popírá základní fyzikální zákony. Pokud ji ale položíme na hladinu ostrou hranou, potopí se a klesne na dno. Jak je to možné?
Žáky vedeme k tomu, aby se pozorně podívali na hladinu vody a zkusili popsat její tvar. Hladina je pod žiletkou prohnutá a žiletka tedy leží na této prohnuté hladině. Můžeme dále na žiletku pokládat nějakou zátěž (například kancelářské sponky, viz obr. 2) a sledovat, jak se hladina pod žiletkou prohýbá ještě více. Je možné přikládat sponky tak dlouho, dokud se žiletka nepotopí. V podstatě tím zkoušíme pevnost povrchové vrstvy.
Můžeme žáky vyzvat, aby vymysleli nějaký příměr k chování hladiny vody, aby ji přirovnali k něčemu, co jim připomíná (směřujeme k tomu, že se hladina vody chová jako pružná blána).
Alternativně lze místo žiletky použít kancelářskou sponku, háček z vánočních kolekcí nebo malý lístek z alobalu. V posledním případě je třeba ohlídat, aby alobal nebyl zprohýbaný, protože pak by vytlačil nějaké množství vody a choval by se jako loď (viz níže).
U žáků může vzniknout nesprávný názor, že železné lodě jsou schopny plout právě kvůli existenci povrchové vrstvy, protože žiletka plovoucí v tomto experimentu je také ze železa. Je tedy dobré upozornit, že v případě lodí je vliv povrchové vrstvy zcela zanedbatelný a že lodě dokáží plout díky velkému výtlaku vody, tudíž se jedná pouze o aplikaci Archimédova zákona.
Celý experiment je možné provést také s lihem. V tom případě se žiletka bude potápět, protože povrchová síla lihu je pro žiletku příliš slabá.
Experiment je vhodné předvádět při výkladu vlastností kapalin, například spolu s kapilární elevací a depresí.
Odkaz na podobný experiment
Stejný jev demonstruje také experiment Padesátník na hladině vody, který je přímo navázán na úlohu Plovoucí padesátník.
