FIZIKA JÓ GYAKORLAT AZ ESZTERHÁZY KÁROLY GYAKORLÓISKOLÁBAN
3. CARTESIUS-BÚVÁR: Úszás, lebegés és elmerülés szemléltetése a test átlagsűrűségének változtatásával (tanulói kísérlet és tanári bemutató kísérlet)
Eszközök
• 40–50 centiméter magas, egyik végén zárt, talpas üveghenger (esetleg mérőhenger)
• Nagyméretű gumidugó, amely a fenti henger száját légmentesen zárja
• Kb. 6 milliméter átmérőjű, 5 centiméter hosszú alumínium-, réz- vagy műanyag cső
• 40 centiméter hosszú gumicső (az alumíniumcsőre szorosan illeszkedő)
• 2 darab 8–10 milliméter átmérőjű, 8–10 centiméter hosszúságú Wassermann-cső (kis méretű kémcső)
• 5–10 cm3-es orvosi fecskendő, vékony tűvel
• Radírgumi
• 800–1000 cm3-es főzőpohár
• 5 cm3-nyi festett benzin és ugyanennyi festett petróleum (a festést lásd a Folyadékok festése c. fejezetben)
F E K G
1. ábra
Az alábbiakban bemutatásra kerülő kísérleti eszköz kivitelezését és működtetését tekintve is különbözik a tankönyvekben ismerte-tett „hagyományos” Cartesius-búvároktól. Kedvező tulajdonságai között kiemelhető a megbízható működés és a rövid idő alatti gyors összeállíthatóság.
Fúrjunk a gumidugó közepébe egy akkora lyukat, amibe az alumíniumcső szorosan illeszkedik! A cső felső vége álljon ki a du-góból egy-két centiméterrel, hogy a gumicsövet rá tudjuk húzni (1. ábra)!
A kísérlethez két búvár szükséges. A Wassermann-csövek szájnyílását le kell szűkíteni 2–3 milliméter átmérő-jűre (2.a ábra), hogy a beletöltött folyadék akkor se folyjon ki, amikor azt szájával lefele tartjuk (pl. a hengerbe történő ki-be rakosgatás közben)! Ez megoldható, ha rendelkezünk megfelelő hozzáértéssel, és a szükséges üvegtechnikai appa-rátussal (pl. oxigénnel dúsított gázláng). Ennek hiányában a csövek nyílását radírgumiból dugófúróval vagy lyukasztó-val kivágott kis gumihengerekkel zárjuk le, melyek közepé-be 2–3 milliméteres lyukat fúrtunk (2.b ábra).
A búvárok feltöltése
A két búvárnak a kísérlet során jól láthatónak, és egymástól jól megkü-lönböztethetőnek kell lenni. Ezeket a kívánalmakat a feltöltéshez használt folyadékok megfestésével érhetjük el. Alkalmas erre a célra a lilára színezett benzin és a narancssárga petróleum, mert egyik sem elegyedik a vízzel, és mindkettő a víznél kisebb sűrűségű. (A festés nem feltétlenül szükséges, az ezzel járó előnyöket lásd a későbbiekben!)
A feltöltést vékony tűvel felszerelt fecskendővel végezzük! (A tű hegyét a baleset megelőzése érdekében reszeljük le!) A búvárt szájával felfele tartva kb. 1:4 arányban töltsük meg vízzel, illetve színezett folyadékkal! A felső 2–3 centimétert hagyjuk üresen (3. ábra)!
Kipróbálás
Nyílásával lefelé fordítva, tegyük egy nagyméretű, vízzel telt pohár-ba! (A pohárban a víz magassága nagyobb legyen a búvár hosszánál!) A megfelelően feltöltött búvárnak kis hányada áll ki a vízből, és
ujjunk-3. ábra 2. ábra
B G – M J
A kísérlet beállítása
Az üveghengert töltsük fel vízzel úgy, hogy felül 2–3 centiméter légtér maradjon! A leírtak szerint elő-készített búvárokat helyezzük a vízbe, majd a hengert a gumicsővel felszerelt dugóval zárjuk le!
A búvárok működése akkor megfelelő, ha 1. mindkettő úszik a vízen (5.a ábra);
2. túlnyomás létrehozásával (a gumicsövön ke-resztül levegőt befújva a hengerbe) mindkettő elme-rül (5.b és c ábra);
3. a túlnyomás megszüntetésével (a cső végét sza-badon hagyva) az egyik feljön, de a másik a fenéken marad (5.d ábra);
4. légritkítás létesítésével (a gumicsövön keresztül szívóhatást kifejtve) a másik is feljön a felszínre (5.e ábra);
5. a vákuum megszüntetésével (szabaddá téve a csővéget) újra úszik mindkét búvár.
Amennyiben nem a fentiek szerint működnek, kisebb korrekciókkal (az ismertetett mód-szer alkalmazásával) néhány másodperc alatt könnyen beállíthatók. (Az előbbi öt pont egyben a Cartesius-búvár kísérleti eszköz működtetésének az öt fázisa.)
A bemutatás kezdetén a búvárok úsznak a vízben, tehát az átlagsűrűsége mindkettőnek kisebb a víz sűrűségénél.
A gumicsövön át a henger légterébe befújva, a vízben is megnő a nyomás (Pascal tör-vénye). Ennek következtében a búvárokba az alsó nyíláson keresztül víz áramlik, bennük a levegő összenyomódik, (átlag)sűrűségük nagyobb lesz, mint a vízé, ezért elsüllyednek.
A gumicső szabaddá tételével a túlnyomás megszűnik a hengerben, a búvárokban kitágul a levegő, sűrűségük csökken. Az egyik búvár sűrűsége oly mértékben változik, hogy fele-melkedik a felszínre.
A másik búvárban az üveghenger alján működő hidrosztatikai nyomás pedig összenyom-va tartja a levegőt, így a búvár sűrűsége meghaladja a vízét, ezért továbbra is lent marad.
A cső megszívásával a hengerben csökken a nyomás, a fenéken levő búvárban kitá-gul a levegő annyira, hogy sűrűsége a víz sűrűsége alá csökken, emiatt feljön a felszínre.
A búvárok színezése segítséget nyújthat számunkra a megkülönböztetésükhöz.
Tüdőnkkel a gumicsövön keresztül (bizonyos határokon belül) szabályozhatjuk a hen-gerben a nyomást, így bármikor lebegési állapotba hozható akármelyik búvár.
A víz hőmérsékletének néhány °C-os megváltozása, az egyszer már jól beszabályozott eszköznél, olyan eltérést eredményezhet, hogy újra el kell végezni a beállítást. Ezt meg-előzendő, célszerű minden bemutatáskor eleve szoba-hőmérsékletű vizet használni.
Friss csapvíz nem alkalmas a kísérlethez, mert annak levegő- és gáztartalma miatt bu-borékok rakódnak ki a henger belső falára, ezért a szemlélő elé csak zavaros látvány tárul.
Célszerű pihentetett, kiforralt vagy desztillált vizet alkalmazni.
5. ábra
F E K G
A búvárokban stabilan megmaradó színes folyadékoszlop nyomásváltozáskor bekö-vetkező elmozdulása jól megfi gyelhető, ami egyben jelzi a bennük elzárt levegőoszlop összenyomódását, illetve kitágulását. Ha a búvárokban színezett folyadék helyett víz van, mindez csak közvetlen közelről észlelhető.
A bemutatás végeztével, tároláshoz nem szükséges a búvárokat kiüríteni! Szájukkal lefe-lé fordítva, egy vízzel félig telt, zárható (csavaros) tetejű üvegben tarthatók tetszőleges ideig.
A színek kifakulását lassíthatjuk, ha a szertárban fénytől védett helyet keresünk számukra.
Kiürült ampullát (pl. növényvédő szerest) átalakítás nélkül is alkalmazhatunk búvárnak, de koránt sincs annyira megbízható, mint a fentebb átalakított Wassermann-cső, és a ke-zelése (beállítása) is sokkal körülményesebb.
Többek által használt kísérleti eszköz esetében az egészségügyi szempontokat tekintve praktikus megoldást mutat a 6. ábra. Működtetéséhez az eddigieken kívül szükséges még egy gumi körtefecskendő és egy, az akváriumok levegőztetésénél is alkalmazott T elága-zócső. Használata az alábbiak szerint történik.
Túlnyomás létesítése a hengerben
Fogjuk be a T elágazócső szabad nyílását, és nyomjuk össze a körtefecskendő gu mi-labdáját!
Légritkítás létesítése a hengerben
Nyomjuk össze a gumilabdát, fogjuk be az elágazó cső nyílását, majd engedjük el a labdát! (A Cartesius-búvár fenti megoldása 1996-ban a Csodák Palotája tudományos játszóházi kiállításra kiírt pályázaton ötletdíjban részesült.)
4. kísérlet: Az úszás, lebegés és elmerülés sűrűségtől való függésének