Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Technické spreje ve vyuþování fyzice JOSEF HUBEĕÁK Pedagogická fakulta UHK Abstrakt Spreje mohou zpestĜit hodinu fyziky na základní a stĜední škole. Každý den se setkáváme s jednoduchou nádobkou, která dokáže svĤj kapalný obsah rozprášit do prostoru a poskytnout požadovaný efekt: nanést barvu, rozptýlit do prostoru vĤni, dezinfikovat drobné zranČní, zneškodnit útoþníka atd. Technické spreje urþené pro elektroniku jsou snadno dostupné a mezi nimi jsou pro fyziku zajímavé typy: spreje chladící a spreje pro odstraĖování prachu. Kriminalisté – technici používají mimo jiné spreje s magnetickými þásticemi. Tyto spreje lze také získat a použít pro experimenty.
Princip rozprašovaþe a spreje Výtvarníci ještČ znají klasický rozprašovaþ a jeho princip se najde i ve starších uþebnicích fyziky.
Obr. 1. Klasický rozprašovaþ Proud vzduchu obtéká svislou trubiþku a v tomto místČ dochází ke snížení tlaku. Atmosférický tlak „natlaþí“ kapalinu do svislé trubiþky a nahoĜe jsou strhávány drobné kapiþky a vzduchem vrženy vpĜed. Na ZŠ nebo nižším stupni víceletého gymnázia mohou žáci rozprašovaþ vyrobit a vyzkoušet. Spreje pracují bez proudu vzduchu. Kapalina je v nádobce spolu s hnacím plynem. Ten ji vytlaþí pomČrnČ širokou trubiþkou až k ústí, kde je malý výstupní otvor. Rychlost kapaliny vzroste a tlak klesne, na výstupu (v trysce) se kapalina rozdČlí na drobné kapiþky. Podstatnou roli hraje hnací plyn. Z fyzikálního hlediska jde o látku, která má bod varu nižší, než je teplota, pĜi níž se sprej bude používat. Vhodných plynĤ není mnoho.
65
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Hnací plyny Pro bezvodé spreje – barvy, laky, deodoranty, antiperspiranty – se používá smČs propanu a butanu. Propan CH3-CH2-CH3 má bod varu -42,1 °C pĜi normálním tlaku, butan CH3-CH2-CH2-CH3 bod varu 0,5 °C pĜi normálním tlaku 1013 hPa. Tato smČs je ovšem hoĜlavá. Pro spreje obsahující jako rozpouštČdlo vodu nebo ethylalkohol se používá dimethylether CH3-O-CH3 s bodem varu í23,6 °C. Sem patĜí Ĝada kosmetických sprejĤ, osvČžovaþe vzduchu nebo spreje s malíĜskou barvou pro výtvarníky. Samotný dimethylether je hoĜlavý, ale ve smČsi s vodou je již nehoĜlavý. Tam, kde je požadována naprostá nehoĜlavost, najdeme tetrafluorethan CHF2-CHF2 s bodem varu í26 °C. Fluorovaných uhlovodíkĤ je více a nČkteré se používají ve sprejích urþených pro rychlé ochlazení nebo odstranČní prachu. Ve sprejích mohou být i ve smČsi; tím se dosáhne požadovaných tlakĤ. PĜíklady þasto používaných fluorovaných uhlovodíkĤ: HF3C trifluormethan HF2C difluormethan CF3-CH3 trifluorethan CHF2-CH3 difluorethan
bod varu -81,2 °C, bod varu -51,6 °C bod varu -47,75 °C bod varu -24,7 °C
Hnacím plynem mĤže být i CO2, dusík nebo vzduch. V tom pĜípadČ má sprej uvnitĜ píst nebo balónek se stlaþeným plynem. Tyto plyny se používají u nČkterých kosmetických sprejĤ. Pány zaujme sprej s pČnou na holení: hnacím plynem je izopentan C5H12 s bodem varu 27,7 °C. Konstrukce spreje
´ Obr. 2. PrĤĜez nádobkou spreje
66
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Nádobka je plnČna kapalinou asi do dvou tĜetin, nad kapalinou je hnací plyn s tlakem až 0,8 MPa. Stlaþením horní þásti s tryskou se otevírá ventil a k opČtovnému uzavĜení dojde díky pružinČ. Konstrukcí sprejĤ je celá Ĝada, obr. 2 ukazuje jednoduché Ĝešení.
Magnetické spreje Spreje obsahují jemnČ rozptýlené þásteþky feromagnetického materiálu v kapalinČ. Suspenze mohou obsahovat i fluorescenþní nebo barevné magnetické prášky. S tímto sprejem lze snadno mapovat okraje permanentních magnetĤ (pilinové obrazce). Dosluhující rotory disketových motorkĤ ze starých poþítaþĤ poskytnou zajímavČjší obraz:
Obr. 3. Rotor 5,25“ mechaniky Je vidČt deset hranic mezi póly a u okraje rotoru dalších dvacet hranic na každý pól. Velké póly slouží jako aktivní póly synchronního motorku (cívky jsou souþástí statoru) a drobné póly poskytují impulsy pro Hallovy sondy, které zajišĢují zpČtnou vazbu pro udržení požadovaných otáþek motorku. Podobný obrazec dostaneme na rotoru disketové mechaniky 3,5“ (obr. 4).
67
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Obr. 4. Rotor disketové mechaniky 3,5“ Magnetické spreje používají kriminalisté-technici pro nalezení pĤvodních výrobních þísel, která pachatelé odbrousili. Materiál je tĜeba jen zmagnetovat rovnobČžnČ s povrchem a v místČ ražby zĤstala zbytková deformace. Na obrázku 5 je ukázka odhalení vybroušeného a pĜelakovaného výrobního þísla.
Obr. 5. Odhalení výrobního þísla
68
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Chladicí spreje Fluorované uhlovodíky a dimethylether jsou obvyklou náplní tČchto sprejĤ. Jako pĜíklad sprej PRF 101NF (nehoĜlavý) obsahuje 95 až 100 % tetrafluorethanu. Podle údajĤ výrobce je možné s ním dosáhnout ochlazení na -55°C. Obrázek ukazuje vlastní mČĜení:
Obr. 6. Chlazení sprejem Teplota okolí je o 75,2 °C vyšší, než teplota dosažená na hrotu termoþlánku. Jedna z možností využití pro fyziku je ukázka deformace plastového pravítka – viz obr.7.
Obr. 7. Deformace pravítka Horní strana plastu se smrští a pravítko se zĜetelnČ prohne nahoru. Deformace zanikne, jakmile se prochladí celý prĤĜez. Na ochlazeném povrchu je patrná vrstva ledu, který má pĤvod ve vodní páĜe, vždy pĜítomné ve vzduchu. Po chvíli roztaje. Je tady pĜíležitost i pro praktickou ukázku fázového pĜechodu.
69
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 Pro teplotní roztažnost existuje Ĝada experimentĤ a vČtšinou jde o prodloužení zpĤsobené zvýšením teploty. Tady lze s jednoduchými pomĤckami ukázat i zkrácení ochlazením:
Obr. 8. Sestava pro zkrácení ocelového pásku ochlazením SvČtelná stopa se na stČnČ vzdálené 10 m posunula o ǻl´ = 5 cm nahoru. Pásek z nerezové oceli je uchycen 23 cm od osy otáþení, takže jeho zkrácení je Δl =
0,23 Δl ′ = 0,00115 m 10
Pokud by na celém pásku byla vrstva ledu, mĤžeme odhadnout i dosaženou teplotu a pokraþovat ve výpoþtu teplotního souþinitele roztažnosti daného materiálu.
Spreje pro odstranČní prachu Jsou urþeny k þištČní jemné mechaniky a aþkoliv jsou nČkdy uvádČny jako nádoby se stlaþeným vzduchem, opČt jde o hnací plyny – dimethylether a tetrafluorethan. Sprej DUST OFF 67 obsahuje podle bezpeþnostního listu 10 až 30 % dimethyletheru a zby-
70
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 tek je tetrafluorethan. Pro fyzika mĤže být užiteþný tam, kde potĜebujeme intenzivní proud „vzduchu“. Lehce mĤžeme ukázat zavČšení míþku – viz obrázek 9.
Obr. 9. ZavČšený míþek
Kam pro spreje Chladicí a þisticí mají v nabídce prodejny elektroniky GES Electronics (http://www.ges.cz/) a GM Electronic http://www.gme.cz/cz/. Magnetické spreje pro nedestruktivní defektoskopii dodává fy NDT Trade http://www.ndttrade.cz/164/onas-sk.
71
