Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
PĜírodovČdec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentĤ stĜedních škol ve vČdecko výzkumné práci v oblasti pĜírodních vČd reg. þ. CZ.1.07/2.3.00/09.0040
Experimenty s jednoduchými pomĤckami RENATA HOLUBOVÁ Katedra experimentální fyziky, PĜírodovČdecká fakulta UP, Olomouc Transportní dČje v atmosféĜe jsou pro žáky urþitČ zajímavým tématem. Na úrovni základní a stĜední školy však nelze tyto problémy Ĝešit komplexnČ, neboĢ žáci nemají potĜebný matematický aparát. MĤžeme však v dostateþném pĜiblížení tyto dČje vysvČtlit a simulovat pomocí velice jednoduchých experimentĤ. Jako pĜíklad jsem si vybrala Golfský proud a vznik moĜské brízy. Klíþová slova: proudČní kapalin, proudČní vzduchu, bríza, granule
Golfský proud Golfský proud je jeden z nejznámČjších moĜských proudĤ a v souvislosti s problémy globálního oteplování také hodnČ diskutovaný. Proud má zásadní vliv na klima v EvropČ. Než budeme realizovat experiment, je tĜeba, aby se žáci seznámili se základními aspekty vzniku lokálního a rozsáhlého konvektivního proudČní a jeho mechanismem. Pod ledem v polárních oblastech se nachází studená slaná voda, mající relativnČ vysokou hustotu, která klesá smČrem ke dnu. Na místo této studené vody se tlaþí voda teplejší – vzniká proudČní.
55
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Obr. 1 Schéma Golfského proudu Golfský proud transportuje až 1,5.108 m3 vody za sekundu. Název pochází od Benjamina Franklina a vychází z pojmenování Golfského zálivu. DĜíve se nazýval Floridský proud þi Canal de Bahama. Na sever od Britských ostrovĤ pokraþuje jako Severoatlantický proud.[3] V Mexickém zálivu se masy vody zahĜívají, pasáty tlaþí tuto masu vody proti pobĜeží Ameriky a proud se stáþí podél pobĜeží Severní Ameriky smČrem k severu (viz obr. 1 – pĜevzato z http://www.ucsusa.org/global_warming/science_and_impacts/science/abruptclimate-change.html). Golfský proud je spojením Floridského proudu a proudu Antilského od severní þásti Bahamských ostrovĤ. Proud je široký 100 – 200 km a dlouhý asi 2 500 km. V blízkosti Mysu Hatteras (Severní Karolína) se proud odpoutává od pobĜeží a smČĜuje do volného Atlantiku (dáno geografickými podmínkami moĜského dna). SmČĜování proudu smČrem k EvropČ je ovlivnČno srážkou s Labradorským proudem a vlivem Coriolisovy síly. Vlivem rozdČlení proudu, vyzaĜováním tepla a vlivem vypaĜování proud ztrácí þást své energie. Se svou rychlostí proudu (která je asi 9 km/h) a mohutností 150 Sv (1 sverdrup = 106 m3/s) patĜí Golfský proud k nejsilnČjším oceánským proudĤm svČta. Simulace Golfského proudu – pokus 1 Akvárium naplníme slanou vodou pokojové teploty. Nad jeden konec akvária umístíme 500 W halogenovou záĜivku (simuluje Slunce). ZáĜivku zapneme a asi 10 minut vodu pod záĜivkou zahĜíváme. Po 10 minutách zavČsíme na druhý konec akvária do vody led umístČný napĜ. v síĢce. Na síĢku si umístíme další drátek, kterým mĤžeme regulovat míru ponoĜení ledu. Led by mČl být ponoĜen jen nČkolik málo centimetrĤ, aby povrchové vrstvy vody mohly lehce proudit pod led. Ledu musí být dostateþné množství. Po ponoĜení ledu do vody poþkáme asi 2 minuty, potom napĜíþ pĜes akvárium nalepíme pásek filmu poprášený hypermanganem. Voda protékající pod filmem se barví do fialova. Pozorujeme proudČní smČrem od zdroje tepla k ledu. Dosáhne-li
56
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 voda oblasti ledu, zasouvá se pod led, ochladí se a klesá ke dnu akvária. Podél dna proudí zpČt ke zdroji. Místo hypermanganu lze do vody kápnout trochu inkoustu. Tento experiment poskytuje pouze jednoduchý model proudČní. Golfský proud je však komplexní a složitý mechanismus, který je souþástí svČtových oceánĤ. Na modelu lze ukázat, že ochlazená vrstva vody se nedokáže zvednout zpČt až na povrch. Katastrofické scénáĜe – globální oteplování a Golfský proud – pokus 2 ProudČní ustane, pokud roztaje všechen led. Další experiment: do akvária dáme slanou vodu, poþkáme, až se hladina uklidní. Do vody dáme 3 kostky ledu a poþkáme asi pĤl minuty. Na led položíme zrnka hypermanganu. Vrstva roztátého ledu, která se vytvoĜí nad slanou vodou, se obarví hypermanganem. Dostaneme barevnou vrstvu. Toto vrstvení je stabilní, k proudČní nedochází. PodobnČ by to možná dopadlo s Golfským proudem, kdyby vlivem globálního oteplování roztál všechen led v severních polárních oblastech a do moĜe by se dostalo velké množství vody sladké. Golfský proud je stále pĜedmČtem zkoumání rĤzných svČtových odborníkĤ (napĜ. z Univerzity Hokkaido, University of Hawai), kteĜí potvrdili vliv proudu na dČní v troposféĜe, a tím také vliv na poþasí na severní polokouli.
Vznik rozdílĤ tlaku a vČtru – moĜská bríza ve tĜídČ U moĜe vČtšinou stále fouká. Je to zpĤsobeno tím, že pevnina se ve dne ohĜívá Sluncem rychleji než moĜe a naopak v noci se pevnina rychleji ochlazuje. Ve dne vane vítr z moĜe na pevninu (moĜská bríza), veþer a v noci z pevniny na moĜe (pevninská bríza). MoĜská bríza vzniká krátce po východu Slunce, postupnČ zesiluje a svého maxima dosáhne kolem poledne, veþer je potom nahrazena pevninskou brízou, která je podstatnČ slabší. Pokus 3 – moĜská bríza Vznik tohoto proudČní lze simulovat velice jednoduše. PotĜebujeme vČtší poþet þajových svíþek (zdroje tepla a také indikátory konvektivního proudČní). Svíþky umístíme na podložku mimo prĤvan do kruhu a zapálíme. Nad hoĜícími svíþkami je vzduch zahĜíván a stoupá vzhĤru. Teplý vzduch je nahrazován okolním studeným vzduchem, který se tlaþí na jeho místo. Toto horizontální prudČní odpovídá pĜízemnímu moĜskému vČtru, který vane od moĜe smČrem k pevninČ. Existenci proudČní ukazují plamínky svíþek, které se stáþejí ve smČru proudČní. Pochopení procesĤ v atmosféĜe vyžaduje hlubší studium, než jen tento experiment, týkající se kvazistacionárního konvektivního proudČní. Jedná se zejména o pochopení vzniku tlakových rozdílĤ, adiabatického dČje a vzniku vertikálního teplotního gradientu (asi 0,65 K/100 m). Když už hovoĜíme o moĜské bríze a pobytu u moĜe, vzpomeneme si na naše procházky po moĜském bĜehu a hledání mušlí þi kamínkĤ. Z vlastní zkušenosti víme, že se objevují místa, kde je mušlí a velkých kamínkĤ více, naproti tomu delší úseky pláže jsou hladké.
57
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15
Obr. 2 MoĜská pláž s kameny StejnČ tak urþitČ znáte rþení, že kameny rostou na poli. ZávČr je jednoznaþný – „velké“ je vždy nahoĜe. Stejný efekt lze pozorovat, i když mícháme napĜ. kuliþky a rýži.
Míchání granulí Tento jev souvisí s problematikou popisu chování látek ve formČ granulí – buć je lze studovat samostatnČ jako pevné látky, nebo jako soubory, které se blíží vlastnostem kapalin. Je zde však Ĝada rozdílĤ mezi kapalinou a granulemi – kapalina se rozlévá, granule vytvoĜí homoli, pĜi výtoku kapaliny otvorem závisí na výšce kapaliny nad otvorem, u granulí výtoková rychlost na množství nezávisí (viz pĜesýpací hodiny), rozdílné je také chování obou látek pĜi míchání. Model Ve sklenici smícháme þástice rĤzné velikosti a pĜibližnČ stejné hustoty. Když budeme sklenicí pohybovat rytmicky nahoru a dolĤ, shromáždí se velké þástice nahoĜe. SmČs pĜestane být promíchána. VysvČtlení Model mezer Vycházíme z dobĜe promíchaného systému. Pokud láhví pohybujeme nahoru a hned rychle dolĤ, aby þástice z dĤvodu setrvaþnosti nemČly možnost sledovat tento pohyb, dostanou se do stavu, kdy je tíhová síla znaþnČ zmenšena a tím se zmenší síly tĜení z poþáteþního uspoĜádání. Proto staþí malé poruchy k tomu, aby se þástice vzájemnČ posunuly a zaujaly nové rozmístČní, které je výchozí pro nový pohyb nahoru a dolĤ. PĜitom existuje velká pravdČpodobnost, že se malé þástice pĜesunou do mezer v blízkosti velkých þástic. Tato pravdČpodobnost je znaþnČ vČtší než opaþný jev, že se velké þástice dostanou do mezer mezi malými þásticemi. Navíc pĜi pohybu dolĤ je vČtší pravdČpodobnost, že se malé þástice posunou podél velkých þástic. Protože velké þástice mají velký prĤĜez, jejich pĜedbíhání malých þástic je složitČjší – musí pĜedbíhat více þástic. Zaujímají-li malé þástice vČtší prostor, než je objem mezer, skonþí velké þástice pĜi zmČnČ pohybu (vČtší tĜecí síla) o nČco výše. Tento stav je poþáteþ-
58
Veletrh nápadĤ uþitelĤ fyziky 15 ním stavem pro nový pohyb smČrem vzhĤru. Tento proces se opakuje, malé þástice se propadají stále níže, až se velké þástice nacházejí všechny nahoĜe. Úþinnost tohoto pohybu závisí na vzájemném pomČru velikostí þástic, není ale na první pohled zĜejmé, jak. Na jedné stranČ se zdá, že velká koule je vyzdvižena tím výše, þím vČtší je malá kuliþka, která se posouvá do mezery. Na druhé stranČ je samozĜejmé, že pravdČpodobnost je tím vČtší, þím menší jsou kuliþky. Musí tedy existovat nČjaký ideální pomČr. Model proudČní V pĜípadČ, že jsou rozmČry nádoby mnohem vČtší, než je rozmČr þástic a stČny nádoby nejsou ideálnČ hladké, podléhají þástice kolektivnímu konvekþnímu proudČní. Jev lze zviditelnit vložením vrstvy stejnČ velkých rĤznobarevných kuliþek. Kuliþky stoupají uprostĜed nádoby a klesají pĜi jejích stČnách. Tomuto pohybu podléhají i velké kuliþky, které se tímto zpĤsobem dostávají nahoru. Velké þástice, pokud jsou podstatnČ vČtší než ostatní þástice, tomuto pohybu nepodléhají a zĤstávají nahoĜe. PĤvod konvekce je tĜeba vidČt v tĜení þástic se stČnami nádoby. PĜi potĜásání nejsou þástice na okraji, které jsou ve styku se stČnou, zvedány tolik jako ostatní, zaostávají a s každým cyklem tĜepání se posunou o nČco níže. Z hlediska kontinuity toku jsou þástice uprostĜed zvedány. Velké þástice zĤstávají nahoĜe, protože zaujímají více poloh. Zasahují do oblasti, kdy malé þástice již nejsou vystaveny tĜení se stČnami. Síla smČrem dolĤ se omezí jen na jeden okraj velké þástice a není dostateþnČ velká, aby þástici posunula dolĤ. Navíc se uplatĖuje mechanismus dČr – pohyb nahoru podporuje stoupání velkých þástic, pohyb dolĤ ji omezuje. Z hlediska 2. vČty termodynamiky lze tento proces popsat rĤstem entropie (dissipace energie), tzn. rĤstem neuspoĜádanosti.
Literatura [1] Tim Flannery: MČníme podnebí - Minulost a budoucnost klimatických zmČn. Nakl. DokoĜán 2007.ISBN 978-80-7363-121-5 [2] http://www.ceskaenergetika.cz/nezarazene_clanky/zapisnik_o_pocasi_3.html [3] Amy Tikkanen: The Gulf Stream. Encyklopedia Britannica 2009. (dostupné on-
line: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/424285/ocean/67122/The-GulfStream-and-Kuroshio-systems?anchor=) [4] Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule. 6/53, 1.September 2004. Aulis Verlag Deubner PĜíspČvek byl zpracován v rámci Ĝešení projektu Evropského sociálního fondu a Ministerstva školství, mládeže a tČlovýchovy ýeské republiky, OPVK - Investice do rozvoje vzdČlávání, s názvem PĜírodovČdec – Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentĤ stĜedních škol ve vČdecko výzkumné práci v oblasti pĜírodních vČd, reg. þ. CZ.1.07/2.3.00/09.0040. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpoþtem ýeské republiky.
59
