Fizyka
Nurek Kartezjusza - Ketchup
Nurek Kartezjusza - Probówka
Nurek Kartezjusza - Zakraplacz
Nurek Kartezjusza
Jak to działa?
Podczas ściskania butelki zwiększa się ciśnienie w jej wnętrzu. To spręża powietrze wewnątrz zakraplacza, wpuszczając więcej wody do zakraplacza. W ten sposób staje się on cięższy i tonie. Kiedy przestajesz ściskać butelkę, ciśnienie znowu spada. Powietrze w zakraplaczu rozpręża się, wypychając wodę. To sprawia, że nurek staje się lżejszy i płynie na powierzchnię.
Baw się ze znajomymi kto złapie więcej punktów na hak!
źródłó: wikipedia
Działanie nurka Kartezjusza
Nurek Kartezjusza – klasyczne doświadczenie pokazowe z fizyki, noszące imię Kartezjusza i ukazujące głównie prawo wyporu hydrostatycznego Archimedesa poprzez bezpośredni pokaz zasady pływania i tonięcia ciał oraz prawo Pascala i znacznie większą ściśliwość gazów niż cieczy.
Opis doświadczenia
Układ pokazowy składa się z większego, zamkniętego naczynia z wodą wykonanego z dającego się uciskać materiału (jak butelka PET) bądź sztywnego lecz zamkniętego elastyczną, np. gumową, membraną. Wewnątrz pływa nurek - zanurzona otworem w dół szklana fiolka lub probówka wypełniona częściowo wodą, częściowo powietrzem. Proporcje objętości powietrza i wody są tak dobrane aby pływał, lecz blisko granicy tonięcia.
Zanurzenie następuje w chwili ściśnięcia miękkiej obudowy (lub miękkiej części obudowy) zewnętrznej, zaprzestanie jej uciskania skutkuje wypłynięciem nurka. Innym wariantem zmiany ciśnienia jest zamiast ściskania naczynia zaopatrzenie go w manometr wodny z kawałka węża gumowego.
Wyjaśnienie działania
Podczas konstrukcji nurka w jego wnętrzu pozostawiono trochę powietrza. Jego obecność zapewnia zgodnie z prawem Archimedesa zanurzanie i wypływanie. W „stanie spoczynku” objętość powietrza w nurku jest tak dobrana, że pływa przy powierzchni wody w większym zbiorniku. Wskutek ściskania zewnętrznego zbiornika (zmniejszania jego objętości poprzez ściśnięcie ścianek lub, w przypadku szklanego zbiornika, elastycznej membrany zamykającej wylew) wywieramy dodatkowe ciśnienie na wodę zawartą wewnątrz. W konsekwencji prawa Pascala ciśnienie to jest przenoszone przez wodę na powietrze wewnątrz nurka. Powietrze (dzięki swej ściśliwości) zmniejsza objętość pod wpływem ciśnienia wywieranego przez wodę wtłaczaną do środka nurka. Dzięki temu średnia gęstość nurka, poprzednio mniejsza od gęstości wody staje się większa od niej i nurek zgodnie z prawem Archimedesa tonie. Przy zwolnieniu nacisku na zewnętrzny zbiornik powietrze w nurku rozpręża się, wypychając część wody z nurka, który zmniejsza swą średnią gęstość i wypływa.
Teoretycznie przy pewnym nacisku, kiedy siła wyporu zrównoważy ciężar nurek będzie utrzymywał się na danej głębokości. Jednak w praktyce to jest trudne do osiągnięcia: w takim położeniu dowolna zmiana głębokości zanurzenia nurka zmieni ciśnienie wywierane na bąbel powietrza w nurku a tym samym jego objętość i ilość wypartej przez nurka wody. Przykładowo, jeśli nurek z jakiejkolwiek przyczyny uniesie się (zmniejszy minimalnie głębokość zanurzenia) ciśnienie wywierane na bąbel powietrza zmaleje, wskutek czego powietrze się rozpręży, wypychając więcej wody i zmniejszając średnią gęstość nurka. W efekcie nurek bardziej się podniesie. Analogiczna sytuacja będzie miała miejsce w przypadku minimalnego zwiększenia zanurzenia - nurek będzie tym bardziej tonął. Stan spoczynku nurka pod wodą jest więc stanem równowagi nietrwałej, gdyż dodatnie sprzężenie zwrotne zwiększa dowolne wychylenia z położenia równowagi (nawet te wynikłe z fluktuacji termicznych w układzie). Wszystkie ciśnienia wyższe niż potrzebne do zatopienia nurka będą skutkować jego pójściem na dno i wszystkie niższe będą się kończyć jego wypłynięciem, jednak utrzymanie nurka przez dłuższy czas pływającego na danej głębokości pod wodą wymagać będzie ciągłego regulownia przyłożonego ciśnienia zewnętrznego.
Wykorzystanie
Zabawka z dmuchanego szkła - wodny diabełek
Idea nurka Kartezjusza wykorzystywana jest w budowie małych zabawek, zwanych „tancerzami wodnymi” lub „wodnymi diabełkami”. Zasada działania jest identyczna, tylko zamiast prostej probówki stosowany jest odpowiednio udekorowany obiekt spełniający tę samą funkcję. Jeśli dodatkowo otwór, przez który woda wpływa do nurka podczas zanurzania, jest na końcu skręconego „ogona” (na ilustracji), zanurzanie i wynurzanie nurka połączone jest z jego obrotem wokół własnej osi.
Urządzenie to znajduje również zastosowanie przy pomiarze ciśnienia cieczy.
Bibliografia
Ryszard Błażejewski, 100 prostych doświadczeń z wodą i powietrzem, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1991, ISBN 83-204-1237-4, ss. 71-72
Tadeusz Dryński, Doświadczenia pokazowe z fizyki, Warszawa, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1964, s. 120
Stanisław Glücksman, Technika demonstracji z fizyki, Warszawa, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1956, ss. 74-75
źrodło: http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/doswiadczenia_fizyczne/budowa_czasteczkowa_substancji/nurek_kartezjusza.html
http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/zabawki/
Cel:
Zbadanie prawa Archimedesa oraz prawa Pascala
Materiały:
duża plastikowa butelka PET (np. po napoju)
woda
malutka fiolka, np. po lekarstwach lub cynie, która swobodnie wchodzi do butelki
małe ciężarki, np. ołów do wędki na ryby, gwoździki, śruba
miska
Czynności:
• Pustą butelkę po napoju uzupełniamy wodą, zostawiając ok. 3cm od zakrętki.
• Aby wykonać naszego nurka, najpierw do miski nalewamy wodę. Gdy wrzucimy do niej fiolkę, pływa ona po powierzchni. Fiolka
musi jednak pływać otworem w dół całkowicie zanurzona w wodzie, ale przy samej powierzchni. Do tego będą nam potrzebne
obciążniki. Jeśli używamy fiolki po cynie, umieszczamy w środku śrubę. Do szyjki fiolki po lekarstwach za pomocą gumki
recepturki przymocowujemy gwoździki jako obciążniki. Manewrując liczbą obciążników i wielkością bąbla powietrza we fiolce
doprowadzamy fiolkę do stanu równowagi.
• Naszego gotowego już nurka przenosimy do butelki. Wrzucamy go do środka, a butelkę zakręcamy.
• Obserwujemy co się dzieje podczas ściskania i gdy przestaniemy ściskać butelkę.
Wynik:
Podczas ściskania butelki nurek tonie, gdy przestajemy ściskać wypływa na wierzch.
Dlaczego?
Rozwiązaniem tego problemu jest bąbelek powietrza umieszczony wewnątrz fiolki. Nurek wykorzystuje to, że woda w porównaniu do powietrza jest nieściśliwa. Ściskając butelkę, ściskamy pęcherzyk powietrza, przez co zwiększamy ciśnienie działające na pęcherzyk. Zmniejszamy przez to wyporność nurka, który tonie. Gdy przestajemy ściskać butelkę zwiększa się wyporność nurka, ciśnienie działające na bąbelek maleje i nurek wypływa na powierzchnię.
