OLEJ W WODZIE

WSTĘP
Zamierzamy zajmować się cieczami, które nie mają kształtu i przyjmują kształt naczynia. Chcąc zbadać zachowanie oleju z wodą należy wziąć pod uwagę maksymalnie wiele aspektów:

• Materiał, z którego wykonany jest pojemnik (np. szkło, plastik, metal, ceramika);
• Wielkość pojemnika i kształt jego podstawy (np. trójkąt, kwadrat, prostokąt, pięciokąt, sześciokąt, ośmiokąt, koło);
• Ilość obu cieczy (mała ilość oleju i duża ilość wody, duża ilość oleju i mała ilość wody);
• Kolejność wlewania (oleju do wody, wody do oleju lub jednoczesne wlewanie obu cieczy do pojemnika);
• Jakość wody (woda pitna z kranu i z ujęcia głębinowego, destylowana, utleniona);
• Jakość oleju (roślinny lub mineralny zawierający tylko węglowodory);
• Ruch cieczy wewnątrz nieruchomego pojemnika (mieszanie), ruch cieczy w poruszającym się pojemniku (przesuwanie na płaszczyźnie lub w kierunku pionowym, wstrząsanie, przechylanie, obrót wokół osi o różnym nachyleniu, drgania).

OBSERWACJA 1: Co się dzieje, gdy połączymy olej z wodą.
Bierzemy czysty szklany słoik o podstawie koła ze szczelną nakrętką. Do otwartego słoika nalewamy wodę do około ¾ jego wysokości. Na powierzchnię wody wlewamy trochę oleju (roślinnego lub mineralnego). Obserwujemy rozproszone krople oleju, które łączą się w większe koła na powierzchni wody. Zakręcamy słoik, a potem obracamy do góry dnem i z powrotem. Obserwujemy olej utrzymujący się zawsze na powierzchni wody. Ponownie odkręcamy słoik. Z czasem część oleju zbiera się na ściankach słoika. Plastikowym patykiem mieszamy olej na powierzchni wody i obserwujemy powrót kropel oleju do większych kul na powierzchni wody.

Na szklanych ściankach słoika poniżej powierzchni wody obserwujemy nieregularne kształty oleju ułożone bardzo nieregularnie.

WYJAŚNIENIE
Nasze współczesne wyjaśnienie obserwowanych zjawisk może różnić się znacznie od wyjaśnień uważanych za poprawne przed wielu laty (np. 100 lat temu), gdyż wiedza w tym zakresie rozwinęła się znacznie przez ten czas. Gdybyśmy żyli w czasach Kartezjusza (Descartes) lub Newtona (XVII – XVIII w.) wyjaśnienia również byłyby inne. Natura zjawisk się nie zmienia, lecz zmienia się stan naszej wiedzy i rozumienia zjawisk. Bardzo często rozwój nauk technicznych powoduje zmianę naszego rozumowania. Na przykład: inaczej widzimy zjawiska gołym okiem, inaczej przez lupę, mikroskop, mikroskop elektronowy itd.

DALSZE MOŻLIWE EKSPRYMENTY
Co będzie się działo, gdy:

• do plastikowego pojemnika o podstawie koła wlejemy wodę do ¾ jego wysokości, a potem wlejemy trochę oleju i wykonamy obserwację 1;
• do szklanego pojemnika o podstawie koła wlejemy najpierw trochę oleju, a potem dużą ilość wody i wykonamy obserwację 1;
• do plastikowego pojemnika o podstawie koła wlejemy najpierw trochę oleju, a potem dużą ilość wody i wykonamy obserwację 1.

A także:

• Czy zachowanie oleju z wodą zmieni się, gdy do małej ilości wody wlejemy dużo oleju? (Do naszej prezentacji wybraliśmy wariant pierwszy z małą ilością oleju ze względów ekonomicznych).
• Czy zachowanie oleju z wodą zmieni się, gdy pojemniki, zarówno szklane jak i plastikowe, będą miały podstawę o innym kształcie (np. trójkąta, kwadratu, sześciokąta, ośmiokąta)?

 

---

POWIERZCHNIA WODY

Lista eksperymentów

prezentowanych na Seminarium dla Młodych Eksperymentatorów,
w dniu 21 października 2010 r., SNPPiT, IF UKW, Bydgoszcz

 

1.	Wypływ wody: krople
2.	Powierzchnia wody: pieprz i detergent
3.	Powierzchnia wody: bańki mydlane
4.	Powierzchnia wody: zestaw kształtów
5.	Wznoszenie kapilarne
6.	Nurek Kartezjusza

 

Opisane poniżej eksperymenty 1, 2, 3, 4 i 5 opracowano na uniwersytecie w Liége (Belgia) przez GRASP (Group of Research on the Applications of Statistical Physics – Grupa Badawcza Zastosowań Fizyki Statystycznej) pod kierunkiem prof. Nicolasa VANEWALLE, prezentowane były przez prof. Josepha Depireux. Tłumaczenie Alicji Wojtyny-Jodko opublikowano w Biuletynie Informacyjnym SNPPiT, „Przyroda i Technika w Szkole”, Nr 49/50, wersja drukowana.
Nurek Kartezjusza jest szeroko opisany w literaturze.

 

Opis eksperymentów

Podobnie jak powietrze, woda jest najbardziej powszechnym elementem naszego życia, przy czym uznaje się, że życie powstało w wodzie. Niezależnie od wieku i poziomu, wszyscy uczniowie i studenci dobrze ją znają, gdyż używają w życiu codziennym wody do picia, mycia i przy innych czynnościach. Wiele działań jest możliwych bez żadnych specjalnych urządzeń, a zatem jest to doskonały temat do rozwijania metod naukowych.

 

1. Wypływ wody: krople

Kiedy nagle otworzymy kran (nawet z perlatorem) tak szeroko jak to jest możliwe, otrzymamy turbulentny i chaotyczny wypływ wody. Zamykając go powoli obserwujemy, że strumień wody staje się spokojniejszy, gładszy i koherentny, a tuż przed zamknięciem strumień przyjmuje typowy kształt o średnicy zwężającej się w miarę oddalania się od wylotu rurki kranu. Koniec strumienia staje się coraz cieńszy aż przechodzi w krople. Mamy wówczas wrażenie, że woda otoczona jest błoną.
Uczniowie potrafią kontrolować przepływ, delikatnie kręcąc kurkiem, i mogą odwrócić przejście od przepływu turbulentnego do spokojnego (laminarnego).
Wrażenie istnienia błony dotyczy cienkiego strumienia wody oraz kropli, która przyjmuje typowy kształt (gruszki).
Jeżeli dostęp do kranu z wodą jest kłopotliwy, wszystkie te manipulacje można powtórzyć z wykorzystaniem butelek. Półtoralitrowe plastikowe butelki z szeroką szyjką przewrócone gwałtownie do góry dnem dają doskonały wypływ turbulentny. Również przydatne są butelki z wąską szyjką i usuniętą nakrętką. Jeżeli zrobimy w nakrętce małą dziurkę, otrzymamy spokojny wypływ laminarny, kontrolowany przez ciśnienie uzyskane przez naciskanie palcami ścianek butelki.

2. Powierzchnia wody: pieprz i detergent

Nalej trochę czystej wody (bez żadnych dodatków) do czystej miski (najlepiej przezroczystej) i obserwuj płaską gładką powierzchnię (która pozostaje pozioma niezależnie od kąta nachylenia miski). Jeżeli na powierzchnię rozsypiemy trochę lekkiego materiału w małych granulkach, pływają one równomiernie na całej powierzchni (dobrym źródłem takiego materiału jest młynek do pieprzu, gdyż zmielony pieprz jest faktycznie natłuszczonym drewnem, które zawsze pływa, natomiast małe granulki odłupane od kawałka styropianu mogą zachowywać się w sposób bardziej skomplikowany, ponieważ elektryzują się przy odłupywaniu od dużego kawałka).
Potem za pomocą wykałaczki, której czubek zanurzono wcześniej w pojemniku z detergentem, lekko dotykając środka powierzchni wody, widzimy kawałki pieprzu przemieszczające się szybko od czubka wykałaczki do krawędzi miski. Aby powtórzyć ten eksperyment, należy wziąć bardzo czystą miskę: nawet najmniejsza ilość detergentu uniemożliwi swobodne pływanie kawałków po powierzchni wody!

Należy zwrócić uwagę uczniów, jak niewielka ilość detergentu jest potrzebna do uzyskania tego efektu, oraz na to, że powierzchnia pozostaje czysta i pusta: wszystkie kawałki dotykają ścianek miski = zmieniliśmy coś w powierzchni wody.

3. Powierzchnia wody: bańki mydlane

Pojemnik napełnij wodą z dodatkiem niewielkiej ilości detergentu i cukru; z użyciem cienkiej rurki, np. słomki do picia, zanurzonej w wodzie, delikatnie dmuchaj bańki. Szybkie lub silne dmuchnięcie wytworzy chaotyczny zbiór baniek o różnych wymiarach, z których największe prawdopodobnie same eksplodują. Mała ilość detergentu (przy niewielkiej ilości cukru) daje bańki delikatne, najczęściej bezbarwne, podczas gdy przy większej zawartości detergentu powstają bańki mocniejsze i bardziej stabilne, na powierzchni których można zobaczyć barwy tęczy. Delikatne i spokojne dmuchnięcie wytwarza mniejsze bańki o podobnych wielkościach: jest to dobre ćwiczenie do kontrolowania swojego działania. Dzieci zauważą również, że rurki szerokie wytwarzają większe bańki, podczas gdy przy rurkach węższych powstają bańki o wielkościach bardziej regularnych. Dobrym praktycznym sposobem jest zatkanie plastycyną końca słomki do picia, dostępnej w restauracjach typu fast-food, i przebicie w niej igłą lub szpilką małej dziurki. Końcową średnicę tej dziurki można ustalić, obracając igłę ruchem stożkowym.

Badania zachowań baniek w pianie prowadzi się zazwyczaj w komorze Hele-Showa, którą stanowi para przezroczystych płyt, umieszczonych równolegle do siebie w odległości 5 mm. Komory tego typu, dostępne w handlu, są raczej kosztowne ze względu na ich jakość optyczną, ale przyuczony eksperymentator może z łatwością zbudować taką komorę, uszczelniając przezroczystą kasetę po płycie CD. Można to zrobić wykorzystując taśmę samoprzylepną typu scotch. Nie należy zapomnieć o pozostawieniu otworu, przez który można wlać wodę oraz wprowadzić słomkę!

Innym łatwym i tanim rozwiązaniem jest płaskie opakowanie cukierków typu tic-tac: odległość pomiędzy równoległymi ściankami tych przezroczystych pojemników jest raczej duża w porównaniu z rozmiarem ich powierzchni, przy czym te małe pudełka są tanie i łatwe do zastąpienia. Najlepsze są pudełka bezbarwne, a problemem może być znalezienie odpowiednio cienkich słomek.

Dmuchamy delikatnie w celu otrzymania jednorodnego zestawu małych baniek i liczymy liczbę ścianek każdej z nich. Jeżeli dmuchniemy gwałtownie, otrzymamy sytuację chaotyczną z dużą liczbą nieregularnych baniek.

W jednorodnym zestawie małe bańki mają tendencję przyjmowania kształtu sześciokątnego, a zatem mają średnio sześciu sąsiadów (najlepsze wypełnienie płaszczyzny, jak w plastrach miodu); w zestawie chaotycznym kształty są nieregularne i może być różna liczba sąsiadów.Im większa wysokość i mniejsza grubość pojemnika, zrobionego z kasety CD, tym lepiej zjawisko to daje się obserwować, lepiej niż w pudełkach po tic-tac.
Cokolwiek wydmuchano na powierzchni otwartej miski lub wewnątrz pojemnika, zawsze można do bańki wprowadzić koniec słomki i dmuchać, aby ją powiększyć.

Czy w tej sytuacji zmieni się liczba sąsiadów w porównaniu z sytuacją wyjściową?

4. Powierzchnia wody: zestaw kształtów

Zestaw kształtów, wykonany z zespawanego drutu miedzianego, zawiera:

1. koło, trójkąt i prostokąt, co pokazuje, że płaskość powierzchni cienkiej warstwy nie zależy od kształtu ramy;
2. prostokąt skręcony o 90° tak, że jego szerokości są prostopadłe do siebie, co pokazuje, że warstwa odkształca się i przystosowuje do krzywizny długości;
3. inny prostokąt o dwóch przeciwległych bokach, połączonych luźną bawełnianą lub jedwabną nitką, zawiązaną w środku każdego z nich (gdy warstwa rozciąga się na całej powierzchni prostokąta, nitka swobodnie porusza się po powierzchni, a jeżeli warstwa znika z jednej strony, siła napięcia powierzchniowego nadaje nitce kształt kulisty, a przynajmniej zakrzywiony, mimo, że jest umocowana pomiędzy prostymi bokami);
4. długi prostokąt, którego dłuższe boki są lekko ugięte w środku, tworzący dwuścian (pokazuje to, że dwie powierzchnie płaskie mogą się łączyć w jedną zakrzywioną, przyjmując kształt siodła);
5. czworościan;
6. graniastosłup o podstawie trójkątnej;
7. sześcian (w celu zademonstrowania, że w trzech wymiarach wewnętrzne wierzchołki są zawsze określone przez cztery krawędzie, zwane krawędziami Plateau).

Uwaga!

Każdy kształt jest przymocowany do rączki o długości 10 do 15 cm, zakończonej pętlą, co pomaga dzieciom trzymać go stabilnie, podczas zanurzania w mydlinach.

 

5. Wznoszenie kapilarne

Zjawisko znane jako wznoszenie kapilarne demonstruje się zazwyczaj przy użyciu rurek o malejących średnicach, które można znaleźć w sklepach z artykułami plastikowymi. Czasami wykorzystuje się polietylenowe rurki z atramentem do piór kulkowych, ale nie zawsze łatwo jest je wyczyścić (potrzebny jest rozpuszczalnik polarny: metanol lub aceton).

Łatwym rozwiązaniem jest zbudowanie dwuścianu o zmiennym kącie, wykorzystując płaskie przezroczyste powierzchnie uzyskane z pary małych kwadratów, wyciętych ze sztywnych i przezroczystych opakowań plastikowych. Ten prosty przyrząd pokazuje wznoszenie kapilarne, gdyż odległość między ściankami wynosi zero na złączu, a przy zmianie odległości między ściankami wznoszenie kapilarne maleje. Prostym rozwiązaniem jest trzymanie przyrządu między palcami (kciukiem i środkowym) jednej ręki, natomiast palcem drugiej ręki zmienianie odległości między powierzchniami.

Należy zwrócić uwagę na paraboliczny kształt wznoszącej się cienkiej warstwy.

---