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.

    Obr. 1: 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.

    Obr. 2: Plovoucí mince
  • 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.

    Obr. 3: Zakřivení povrchové vrstvy v okolí mince

    Na obr. 4 je boční pohled na minci.

    Obr. 4: Pohled na minci z boku
  • 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.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut