Jak z probówki zrobić nurka Kartezjusza? / LPN
0
Fizyka
Nurek Kartezjusza - Probówka
Materiały:
1. Szklana probówka
2. Butelka plastikowa PET z zakrętką
3. Woda do wypełnienia butelki
Przebieg
1. Napełniamy butelkę wodą prawie do pełna
2. Wkładamy do góry dnem probówkę w części wypełnioną wodą do butelki i zakręcamy zakrętkę
3. Ściskamy butelkę na środku i obserwujemy zachowanie probówki-nurka
4. Tworzymy raport LPN lub ULPN
Pytanie badawcze
Jak z probówki zrobić nurka Kartezjusza?
Hipoteza (odpowiedź na pytanie badawcze)
Należy wykorzystać pęcherzyk powietrza umieszczony w probówce
Doświadczenie
Ściskamy butelkę z probówką w środku
Wnioski
Probówka unosi się i tonie zgodnie z prawem Archimedesa i Paskala
Wyjaśnienie działania - Prawo Archimedesa i Paskala
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.
Nurek Kartezjusza
Przyrząd składa się z cylindra o elastycznej membranie, która w tym układzie pełni rolę tłoka, oraz wykonanego ze szkła nurka. Pływanie nurka umożliwia uwięzione w nim powietrze, które zapewnia mu odpowiednią wyporność. Gdy naciskamy membranę, wzrasta ciśnienie w cylindrze, woda wcieka do nurka, ściskając powietrze w nim zgromadzone. A to oznacza, że zmniejszyła się wyporność nurka – nurek tonie.
Gdy z kolei ciśnienie maleje (przestajemy naciskać przeponę), ilość powietrza powiększa się, nurek zwiększa swoją wyporność i wypływa na powierzchnię.