Každý z nás sledoval na jar ľadové platne plávajúce po rieke. Ale prečo sú neutop sa? Čo ich drží na hladine vody?
Zdá sa, že napriek ich váhe im niečo jednoducho nedovolí spadnúť. Odhalím podstatu tohto tajomného javu.
Prečo ľad neklesá?
Ide o to, že voda je veľmi nezvyčajná látka. Má úžasné vlastnosti, ktoré si niekedy jednoducho nevšimneme.
Ako viete, takmer všetky veci na svete sa pri zahrievaní rozťahujú a pri ochladzovaní sťahujú. Toto pravidlo platí aj pre vodu, no s jednou zaujímavou poznámkou: pri ochladení z +4°C na 0°C voda začne expandovať. To vysvetľuje nízku hustotu ľadových más. Rozšírením z vyššie uvedeného javu sa voda stáva ľahší ako ten, v ktorom sa nachádza a začne sa unášať na jeho povrchu.
Aký nebezpečný je tento ľad?
Vyššie opísaný jav sa často vyskytuje v prírode a každodennom živote. Ak na to ale začnete zabúdať, môže sa stať zdrojom mnohých problémov. Napríklad:
- v zime môže zamrznutá voda prasknuté vodovodné potrubie;
- tá istá voda, zamŕzajúca v horských puklinách, prispieva k ničenie skál spôsobujúce horské pády;
- nesmieme zabudnúť vypustite vodu z chladiča auta aby ste sa vyhli vyššie uvedeným situáciám.
Ale sú tu aj pozitívne stránky. Veď keby voda nemala také úžasné vlastnosti, tak by neexistoval taký šport ako korčuľovanie. Čepeľ korčule pod váhou ľudského tela vyvíja taký tlak na ľad, že sa jednoducho roztopí a vytvorí vodný film ideálny na kĺzanie.
Voda v hlbinách oceánu
Ďalšou zaujímavosťou je, že aj napriek nulovej teplote v hĺbkach oceánu (alebo mora) je tam voda nezamrzne, sa nestane ľadovým blokom. Prečo sa to deje? Je to všetko o tlak, ktorý je vyvíjaný hornými vrstvami vody.
Vo všeobecnosti tlak pomáha tuhnúť rôzne kvapaliny. Spôsobuje zmenšenie objemu tela, výrazne uľahčuje jeho prechod do pevného stavu. Ale keď voda zamrzne, nezmenšuje svoj objem, ale naopak, zväčšuje sa. A preto tlak, ktorý zabraňuje expanzii vody, znižuje jej bod mrazu.
To je všetko, čo vám o tomto zaujímavom fenoméne môžem povedať. Dúfam, že ste sa naučili niečo nové. Veľa šťastia na cestách!
Mestská vzdelávacia autonómna inštitúcia
stredná škola s. Vasylivki
Výskum
Prečo ľad neklesá vo vode?
Žiaci 3. ročníka "b"
Belogubová Sophia
Hlava: Klimenko
Ľudmila Sergejevna,
učiteľjakvalifikácia
Obsah práce.
1. Úvod……………………………………………………………. 3
2. Hlavná časť:………………………………………………………………...4-6
2.1. Prečo predmety plávajú? ................................................................ ........
2.2. Staroveký grécky vedec Archimedes…………………………………………
2.3. Archimedov zákon ………………………………………………………….
2.4. Experimenty ………………………………………………………….
2.5. Dôležitá vlastnosť vody ………………………………………………………………
3. Záver……………………………………………………………….7
4. Referencie…………………………………………………………………………8
5. Prihlášky……………………………………………………………… 9-10
Úvod.
Nehorí v ohni
Nepotápa sa vo vode.
Relevantnosť témy
Prečo niektoré látky klesajú vo vode a iné nie? Pochopenie zákonov vztlaku umožňuje inžinierom stavať lode z kovov, ktoré plávajú a nepotápajú sa.
Nikto nepochybuje o tom, že ľad pláva na vode; každý to videl stokrát na rybníku aj na rieke.
Ale prečo sa to deje?
Aké ďalšie predmety môžu plávať na vode?
Toto som sa rozhodol zistiť.
Dať gól:
Určte príčiny nepotopiteľnosti ľadu.
Stanovil som si niekoľko úloh:
Zistite stav plávania telies;
Zistite, prečo ľad neklesá;
Vykonajte experiment na štúdium vztlaku.
Predložila hypotézu:
Možno sa ľad nepotopí, pretože voda je hustejšia ako ľad.
Výskumné metódy:
Teoretická analýza literatúry;
Pozorovacia metóda;
Praktická metóda.
Praktický materiál sa mi bude hodiť na hodinách čítania a okolitého sveta.
Hlavná časť
Ak telo ponoríte do vody, vytlačí trochu vody. Telo zaberá miesto, kde bola voda, a hladina vody stúpa.
Podľa legendy starogrécky vedec Archimedes (287 - 212 pred n. l.) pri kúpeli uhádol, že ponorené telo vytlačí rovnaký objem vody. Stredoveká rytina zobrazuje Archimeda pri svojom objave. (Pozri prílohu 1)
Sila, ktorou voda tlačí teleso v nej ponorené, sa nazýva vztlaková sila.
Archimedov zákon hovorí, že vztlaková sila sa rovná hmotnosti kvapaliny vytlačenej telesom v nej ponoreným. Ak je vztlaková sila menšia ako hmotnosť telesa, potom sa potopí, ak sa rovná hmotnosti telesa, pláva.
Experiment č. 1 (pozri prílohu 1)
Rozhodol som sa vidieť, ako funguje vztlaková sila, zaznamenal som hladinu vody a spustil som plastelínovú guľu s gumičkou do nádoby s vodou. Po ponorení sa hladina vody zdvihla a dĺžka elastika sa zmenšila. Novú hladinu vody som označil fixkou.
Záver: Z vodnej strany pôsobila na plastelínovú guľu sila smerujúca nahor. Preto sa dĺžka elastického pásika zmenšila, t.j. lopta ponorená do vody sa stala ľahšou.
Potom z rovnakej plastelíny vytvarovala loď a opatrne ju spustila do vody. Ako vidíte, voda stúpla ešte vyššie. Loď vytlačila viac vody ako lopta, čo znamená, že vztlaková sila je väčšia.
Kúzlo sa stalo, potápajúci sa materiál vypláva na povrch! Ahoj Archimedes!
Aby sa teleso nepotopilo, jeho hustota musí byť menšia ako hustota vody.
Nevieš čo je hustota? Toto je hmotnosť homogénnej látky na jednotku objemu.
Pokus č. 2: (pozri prílohu 2)
Naliala vodu do pohára a postavila ho von. Keď voda zamrzla, sklo prasklo. Vytvorený ľad som dal do nádoby so studenou vodou a videl som, že pláva.
V inej nádobe dôkladne osoľte vodu a miešajte, kým sa úplne nerozpustí. Vzal som ľad a zopakoval som experiment. Ľad pláva a ešte lepšie ako v sladkej vode, takmer do polovice vyčnieva z vody.
Všetko jasné! Kocka ľadu pláva, pretože keď zamrzne, ľad sa roztiahne a stane sa ľahším ako voda. Hustota obyčajnej tekutej vody je o niečo väčšia ako hustota zamrznutej vody, teda ľadu. So zvyšujúcou sa hustotou kvapaliny sa zvyšuje vztlaková sila.
Vedecké fakty:
1 fakt Archimedes: na každé teleso ponorené do kvapaliny pôsobí vztlaková sila.
Fakt 2 Michail Lomonosov:
Ľad neklesá, pretože má hustotu 920 kg/m3. A voda, ktorá je hustejšia, je 1000 kg/m3.
Záver:
Našiel som 2 dôvody nepotopiteľnosti ľadu:
každé teleso ponorené do vody je vystavené vztlakovej sile;
Hustota ľadu je menšia ako hustota akejkoľvek vody.
Skúsme si predstaviť, ako by vyzeral svet, keby voda mala normálne vlastnosti a ľad by bol, ako by mala byť každá normálna látka, hustejší ako voda v tekutom stave. V zime by hustejší ľad zamrznutý zhora klesal do vody a neustále klesal na dno nádrže. V lete sa ľad chránený vrstvou studenej vody nemohol roztopiť.
Postupne by všetky jazerá, rybníky, rieky, potoky úplne zamrzli a zmenili by sa na obrovské ľadové bloky. Nakoniec by zamrzli moria a po nich oceány. Náš krásny kvitnúci zelený svet by sa stal
súvislá ľadová púšť, na niektorých miestach pokrytá tenkou vrstvou roztopenej vody. Jednou z týchto jedinečných vlastností vody je jej schopnosť expandovať, keď zmrzne. Všetky látky totiž pri zamrznutí, teda pri prechode z kvapalného do tuhého skupenstva, sa stlačia, ale voda naopak expanduje. Jeho objem sa zväčší o 9 %. Keď sa však na povrchu vody tvorí ľad, nachádza sa medzi studeným vzduchom a vodou a zabraňuje ďalšiemu ochladzovaniu a zamŕzaniu vodných plôch. Táto nezvyčajná vlastnosť vody je mimochodom dôležitá aj pre tvorbu pôdy v horách. Dažďová voda, ktorá sa dostane do malých trhlín, ktoré sa vždy nachádzajú v kameňoch, sa pri zamrznutí rozširuje a ničí kameň. Postupne sa tak kamenný povrch stáva schopným ukryť rastliny, ktoré svojimi koreňmi dokončia tento proces ničenia kameňov a vedú k tvorbe pôdy na horských svahoch.
Ľad je vždy na povrchu vody a slúži ako skutočný tepelný izolátor. To znamená, že voda pod ňou toľko nechladí, ľadová vrstva ju spoľahlivo ochráni pred mrazom. Preto je zriedkavé, že v zime voda zamrzne až na dno, aj keď pri extrémnych teplotách vzduchu je to možné.
Náhle zväčšenie objemu pri zmene vody na ľad je dôležitou vlastnosťou vody. Táto vlastnosť sa musí často brať do úvahy v praktickom živote. Ak necháte sud s vodou v chlade, voda zamrzne a sud praskne. Z rovnakého dôvodu by ste nemali nechávať vodu v chladiči auta zaparkovaného v studenej garáži. Pri silných mrazoch si musíte dávať pozor na najmenšie prerušenie dodávky teplej vody cez potrubia na ohrev vody: voda, ktorá sa zastavila vo vonkajšom potrubí, môže rýchlo zamrznúť a potom potrubie praskne.
Áno, poleno, bez ohľadu na to, aké je veľké, sa nepotopí do vody. Tajomstvom tohto javu je, že hustota dreva je menšia ako hustota vody.
Záver.
Takže, keď som urobil veľa práce, pochopil som. Že sa potvrdila moja hypotéza o tom, prečo ľad neklesá.
Príčiny nepotopiteľnosti ľadu:
1. Ľad sa skladá z vodných kryštálov so vzduchom medzi nimi. Preto je hustota ľadu menšia ako hustota vody.
2. Na ľad pôsobí zo strany vody vztlaková sila.
Ak by bola voda normálnou tekutinou a nie jedinečnou tekutinou, korčuľovanie by nás nebavilo. Nekotúľame sa na sklo, však? Ale je oveľa hladší a atraktívnejší ako ľad. Sklo je ale materiál, po ktorom sa korčule nebudú kĺzať. Ale na ľade, aj keď nie je veľmi kvalitný, je korčuľovanie potešením. Budete sa pýtať prečo? Váha nášho tela totiž tlačí na veľmi tenkú čepeľ korčule, ktorá vyvíja silný tlak na ľad. Následkom tohto tlaku od korčule sa ľad začne topiť, čím sa vytvorí tenký vodný film, po ktorom korčule dokonale kĺžu.
Bibliografia
Detská encyklopédia "Skúmam svet."
Zedlag U. "Úžasné veci na planéte Zem."
Internetové zdroje.
Rakhmanov A. I. „Fenomény prírody“.
Encyklopédia "Prírodný svet".
Príloha 1
Dodatok 2
Dodatok 3
Kim Irina, žiačka 4. ročníka
Výskumná práca na tému „Prečo ľad neklesá?“
Stiahnuť ▼:
Náhľad:
Mestská štátna vzdelávacia inštitúcia "Krasnojarská stredná škola"
Výskum
Vykonané:
Kim Irina,
Žiak 4. ročníka.
vedúci:
Ivanova Elena Vladimirovna,
učiteľka na základnej škole.
s. Krásny Jar 2013
1. Úvod.
2. Hlavná časť:
Prečo predmety plávajú?
Staroveký grécky vedec Archimedes.
Archimedov zákon.
Experimenty.
Dôležitá vlastnosť vody.
3. Záver.
4. Zoznam referencií.
5. Aplikácie.
Úvod.
Prečo niektoré látky klesajú vo vode a iné nie? A prečo je tak málo látok, ktoré môžu plávať vo vzduchu (t.j. lietať)? Pochopenie zákonov vztlaku (a potápania) umožňuje inžinierom stavať lode z kovov, ktoré sú ťažšie ako voda, a navrhovať vzducholode a balóny, ktoré môžu plávať vo vzduchu. Záchranná vesta je nafúknutá vzduchom, takže pomáha človeku zostať na vode.
Nikto nepochybuje o tom, že ľad pláva na vode; každý to videl stokrát na rybníku aj na rieke. Ale prečo sa to deje? Aké ďalšie predmety môžu plávať na vode? Toto som sa rozhodol zistiť.
Cieľ:
Určenie príčin nepotopiteľnosti ľadu.
Úlohy:
1. Zistite podmienky plávania telies.
2. Zistite, prečo ľad neklesá.
3. Vykonajte experiment na štúdium vztlaku.
hypotéza:
Možno sa ľad nepotopí, pretože voda je hustejšia ako ľad.
Hlavná časť:
Prečo predmety plávajú?
Ak telo ponoríte do vody, vytlačí trochu vody. Telo zaberá miesto, kde bola voda, a hladina vody stúpa.
Podľa legendy starogrécky vedec Archimedes (287 - 212 pred n. l.) pri kúpeli uhádol, že ponorené telo vytlačí rovnaký objem vody. Stredoveká rytina zobrazuje Archimeda pri svojom objave. (pozri prílohu 1)
Sila, ktorou voda tlačí teleso v nej ponorené, sa nazýva vztlaková sila.
Archimedov zákon hovorí, že vztlaková sila sa rovná hmotnosti kvapaliny vytlačenej telesom v nej ponoreným. Ak je vztlaková sila menšia ako hmotnosť telesa, potom sa potopí, ak sa rovná hmotnosti telesa, pláva.
Pokus č.1 (pozri prílohu 2)
Rozhodol som sa vidieť, ako funguje vztlaková sila, zaznamenal som hladinu vody a spustil som plastelínovú guľu s gumičkou do nádoby s vodou. Po ponorení sa hladina vody zdvihla a dĺžka elastika sa zmenšila. Novú hladinu vody som označil fixkou.
Záver: Z vodnej strany pôsobila na plastelínovú guľu sila smerujúca nahor. Preto sa dĺžka elastického pásika zmenšila, t.j. lopta ponorená do vody sa stala ľahšou.
Potom z rovnakej plastelíny vytvarovala loď a opatrne ju spustila do vody. Ako vidíte, voda stúpla ešte vyššie. Loď vytlačila viac vody ako lopta, čo znamená, že vztlaková sila je väčšia.
Kúzlo sa stalo, potápajúci sa materiál vypláva na povrch! Ahoj Archimedes!
Aby sa teleso nepotopilo, jeho hustota musí byť menšia ako hustota vody.
Nevieš čo je hustota? Toto je hmotnosť homogénnej látky na jednotku objemu.
Experiment č. 2: „Závislosť vztlakovej sily od hustoty vody“(pozri prílohu 3)
Vzal som si: pohár čistej vody (nie plný), surové vajce a soľ.
Vložte vajíčko do pohára, ak je čerstvé, klesne na dno. Potom začala opatrne nasypať soľ do pohára a sledovala, ako vajce začalo plávať.
Záver: So zvyšujúcou sa hustotou kvapaliny sa zvyšuje vztlaková sila.
Vo vajci je vzduchová kapsa a keď sa zmení hustota tekutiny, vajce vypláva na hladinu ako ponorka.
Predtým, pred vynálezom chladničiek, naši predkovia kontrolovali, či je vajce čerstvé alebo nie: čerstvé vajcia klesajú v čistej vode a pokazené vajcia plávajú, pretože sa v nich tvorí plyn.
Experiment č. 3 „Vodoplávajúci citrón“(pozri prílohu 4)
Naplnila som nádobu vodou a dala do nej citrón. Citrón pláva. A potom ho olúpala a vložila späť do vody. Citrón sa utopil.
Záver: citrón sa potopil, pretože sa zvýšila jeho hustota. Citrónová kôra je menej hustá ako jej vnútro a obsahuje veľa vzduchových častíc, ktoré pomáhajú citrónu zostať na povrchu vody.
Pokus č. 4 (pozri prílohu 5)
1. Do pohára som nalial vodu a dal von. Keď voda zamrzla, sklo prasklo. Vytvorený ľad som dal do nádoby so studenou vodou a videl som, že pláva.
2. V inej nádobe dôkladne osolíme vodu a miešame, kým sa úplne nerozpustí. Vzal som ľad a zopakoval som experiment. Ľad pláva a ešte lepšie ako v sladkej vode, takmer do polovice vyčnieva z vody.
Všetko jasné! Kocka ľadu pláva, pretože keď zamrzne, ľad sa roztiahne a stane sa ľahším ako voda. Hustota obyčajnej tekutej vody je o niečo väčšia ako hustota zamrznutej vody, teda ľadu.S rastúcou hustotou kvapaliny sa zvyšuje vztlaková sila.
Vedecké fakty:
1 fakt Archimedes: na každé teleso ponorené do kvapaliny pôsobí vztlaková sila.
Fakt 2 Michail Lomonosov:
Ľad neklesá, pretože má hustotu 920 kg/m3. A voda, ktorá je hustejšia, je 1000 kg/m3.
Záver:
Našiel som 2 dôvody nepotopiteľnosti ľadu:
- Každé teleso ponorené do vody je vystavené vztlakovej sile.
- Hustota ľadu je menšia ako hustota akejkoľvek vody.
Skúsme si predstaviť, ako by vyzeral svet, keby voda mala normálne vlastnosti a ľad by bol, ako by každá normálna látka mala byť, hustejší ako tekutá voda.
V zime by hustejší ľad zamrznutý zhora klesal do vody a neustále klesal na dno nádrže. V lete sa ľad chránený vrstvou studenej vody nemohol roztopiť.
Postupne by všetky jazerá, rybníky, rieky, potoky úplne zamrzli a zmenili by sa na obrovské ľadové bloky. Nakoniec by zamrzli moria a po nich oceány. Z nášho krásneho, rozkvitnutého zeleného sveta by sa stala súvislá ľadová púšť, na niektorých miestach pokrytá tenkou vrstvou roztopenej vody.Jednou z jedinečných vlastností vody je jej schopnosť expandovať, keď zamrzne. Všetky látky totiž pri zamrznutí, teda pri prechode z kvapalného do tuhého skupenstva, sa stlačia, ale voda naopak expanduje. Jeho objem sa zväčší o 9 %. Keď sa však na povrchu vody tvorí ľad, nachádza sa medzi studeným vzduchom a vodou a zabraňuje ďalšiemu ochladzovaniu a zamŕzaniu vodných plôch. Táto nezvyčajná vlastnosť vody je mimochodom dôležitá aj pre tvorbu pôdy v horách. Dažďová voda, ktorá sa dostane do malých trhlín, ktoré sa vždy nachádzajú v kameňoch, sa pri zamrznutí rozširuje a ničí kameň. Postupne sa tak kamenný povrch stáva schopným ukryť rastliny, ktoré svojimi koreňmi dokončia tento proces ničenia kameňov a vedú k tvorbe pôdy na horských svahoch.
Ľad je vždy na povrchu vody a slúži ako skutočný tepelný izolátor. To znamená, že voda pod ňou toľko nechladí, ľadová vrstva ju spoľahlivo ochráni pred mrazom. Preto je zriedkavé, že v zime voda zamrzne až na dno, aj keď pri extrémnych teplotách vzduchu je to možné.
Náhle zväčšenie objemu pri zmene vody na ľad je dôležitou vlastnosťou vody. Táto vlastnosť sa musí často brať do úvahy v praktickom živote. Ak necháte sud s vodou v chlade, voda zamrzne a sud praskne. Z rovnakého dôvodu by ste nemali nechávať vodu v chladiči auta zaparkovaného v studenej garáži. Pri silných mrazoch si musíte dávať pozor na najmenšie prerušenie dodávky teplej vody cez potrubia na ohrev vody: voda, ktorá sa zastavila vo vonkajšom potrubí, môže rýchlo zamrznúť a potom potrubie praskne.
Áno, poleno, bez ohľadu na to, aké je veľké, sa nepotopí do vody. Tajomstvom tohto javu je, že hustota dreva je menšia ako hustota vody.
Mimochodom...
Sú stromy, ktoré sa topia vo vode! Dôvodom je, že ich hustota je väčšia ako hustota vody. Tieto stromy sa nazývajú "železné" stromy. Medzi „železné stromy“ patria napríklad perzské papagáje, azobe (africký tropický železitý strom), amazonské drevo, eben, palisander, či palisander, kumaru a iné. Všetky tieto stromy majú veľmi tvrdé a husté drevo, bohaté na oleje, kôra týchto stromov je odolná voči hnilobe. Preto loď vyrobená z takéhoto dreva okamžite klesne na dno, ale „železné stromy“ sú vynikajúcim materiálom na výrobu nábytku.
V moriach a oceánoch sú niekedy obrovské ľadové hory - ľadovce. Ide o ľadovce, ktoré sa zosunuli z polárnych hôr a sú prúdom a vetrom zanesené do otvoreného mora. Ich výška môže dosiahnuť 200 metrov a ich objem môže dosiahnuť niekoľko miliónov metrov kubických. Deväť desatín celkovej hmotnosti ľadovca je skrytých pod vodou. Preto je stretnutie s ním veľmi nebezpečné. Ak si loď včas nevšimne pohybujúceho sa ľadového obra, môže utrpieť vážne poškodenie alebo dokonca zomrieť pri kolízii.
Ryža. 4. Deväť desatín hmoty ľadovca je pod vodou.
Aj keď je loď vyrobená zo železa, je veľmi ťažká a dokonca vezie ľudí a náklad, nepotopí sa. prečo? Ide však o to, že na lodi je okrem posádky, cestujúcich a nákladu aj vzduch. A vzduch je oveľa ľahší ako voda. Loď je navrhnutá tak, že v nej je nejaký priestor naplnený vzduchom. Práve tá podopiera loď na hladine vody a zabraňuje jej potopeniu.
ponorky
Ponorky sa potápajú a vynárajú a menia svoju relatívnu hustotu. Na palube majú veľké kontajnery – balastné nádrže. Keď ich opustí vzduch a načerpá sa voda, hustota člna sa zvýši a loď sa potopí. Aby posádka vyplávala na hladinu, odoberá vodu z nádrží a pumpuje do nej vzduch. Hustota opäť klesá a čln vypláva na hladinu. Balastné nádrže sú umiestnené medzi vonkajším trupom a stenami vnútorného priestoru. Posádka žije a pracuje vo vnútornom priestore. Ponorka je vybavená výkonnými vrtuľami, ktoré jej umožňujú pohyb po vode. Niektoré lode majú jadrové reaktory.
Záver.
Takže, keď som urobil veľa práce, pochopil som. Že sa potvrdila moja hypotéza o tom, prečo ľad neklesá.
Dôvody nepotopiteľnostiľad:
1. Ľad sa skladá z vodných kryštálov so vzduchom medzi nimi. Preto je hustota ľadu menšia ako hustota vody.
2. Na ľad pôsobí zo strany vody vztlaková sila.
Ak by bola voda normálnou tekutinou a nie jedinečnou tekutinou, korčuľovanie by nás nebavilo. Nekotúľame sa na sklo, však? Ale je oveľa hladší a atraktívnejší ako ľad. Sklo je ale materiál, po ktorom sa korčule nebudú kĺzať. Ale na ľade, aj keď nie je veľmi kvalitný, je korčuľovanie potešením. Budete sa pýtať prečo? Váha nášho tela totiž tlačí na veľmi tenkú čepeľ korčule, ktorá vyvíja silný tlak na ľad. Následkom tohto tlaku od korčule sa ľad začne topiť, čím sa vytvorí tenký vodný film, po ktorom korčule dokonale kĺžu.
Aplikácia
Príloha 1
Malé deti veľmi často kladú dospelým zaujímavé otázky a nie vždy im môžu hneď odpovedať. Aby ste svojmu dieťaťu nepripadali hlúpi, odporúčame vám oboznámiť sa s úplnou a podrobnou, fundovanou odpoveďou týkajúcou sa vztlaku ľadu. Veď pláva, nie sa topí. Prečo sa to deje?
Ako vysvetliť dieťaťu zložité fyzikálne procesy?
Prvá vec, ktorá vás napadne, je hustota. Áno, v skutočnosti ľad pláva, pretože je menej hustý ako . Ako však dieťaťu vysvetliť, čo je hustota? Nikto nie je povinný povedať mu školské osnovy, ale je celkom možné, že to všetko zredukujeme na to, čo to je. Koniec koncov, v skutočnosti rovnaký objem vody a ľadu má rôznu hmotnosť. Ak problém preštudujeme podrobnejšie, môžeme okrem hustoty vyjadriť aj niekoľko ďalších dôvodov.
nielen preto, že jej znížená hustota bráni jej nižšiemu klesaniu. Dôvodom je aj to, že v ľade sú zamrznuté malé vzduchové bublinky. Znižujú tiež hustotu, a preto sa vo všeobecnosti ukazuje, že hmotnosť ľadovej dosky je ešte menšia. Keď sa ľad roztiahne, nenaberie viac vzduchu, ale všetky tie bublinky, ktoré sú už vo vnútri tejto vrstvy, tam zostanú, kým sa ľad nezačne topiť alebo sublimovať.
Uskutočnenie experimentu o sile expanzie vody
Ale ako môžete dokázať, že ľad sa skutočne rozširuje? Veď aj voda sa môže rozpínať, tak ako sa to dá dokázať v umelých podmienkach? Môžete vykonať zaujímavý a veľmi jednoduchý experiment. Na to budete potrebovať plastový alebo kartónový pohár a vodu. Množstvo nemusí byť veľké, pohár nemusíte napĺňať až po okraj. Tiež v ideálnom prípade potrebujete teplotu okolo -8 stupňov alebo nižšiu. Ak je teplota príliš vysoká, zážitok bude trvať neprimerane dlho.
Voda sa teda naleje dovnútra, musíme počkať, kým sa vytvorí ľad. Keďže sme zvolili optimálnu teplotu, pri ktorej sa malý objem tekutiny premení v priebehu dvoch až troch hodín na ľad, pokojne môžete ísť domov a čakať. Musíte počkať, kým sa všetka voda zmení na ľad. Po chvíli sa pozrieme na výsledok. Pohár, ktorý je zdeformovaný alebo roztrhnutý ľadom, je zaručený. Pri nižšej teplote vyzerajú efekty pôsobivejšie a samotný experiment trvá menej času.
Negatívne dôsledky
Ukazuje sa, že jednoduchý experiment potvrdzuje, že ľadové bloky sa pri znižovaní teploty naozaj rozťahujú a objem vody sa pri mrazení ľahko zväčšuje. Táto funkcia spravidla spôsobuje veľa problémov zábudlivým ľuďom: fľaša šampanského ponechaná na balkóne počas silvestrovských prestávok v dôsledku vystavenia ľadu. Keďže expanzná sila je veľmi veľká, nedá sa nijako ovplyvniť. No a čo sa týka vztlaku ľadových blokov, tu nie je čo dokazovať. Tí najzvedavejší môžu ľahko uskutočniť podobný experiment na jar alebo na jeseň sami a pokúsiť sa utopiť kusy ľadu vo veľkej mláke.
Vôbec nás neprekvapujú plávajúce ľadové bloky na začiatku jari, keď sa nádrže začínajú oslobodzovať od zimného „ošatu“ a odhaľujú ľudskému oku krásu sladkej vody. Sme tak zvyknutí na tento prírodný fenomén, že o tom ani nepremýšľame a čudujeme sa, prečo sa ľad neroztopí? A ak o tom premýšľate, okamžite si nepamätáte príklady, keď pevné látky, ako je ľad, plávajú v kvapalinách, ktoré sa tvoria, keď sa topia. Parafín alebo vosk môžete roztopiť v nádobe a do vzniknutej mláky vhodiť kúsok tej istej látky, len v pevnom stave. A čo vidíme? Vosk a parafín bezpečne klesnú do kvapaliny, ktorá vzniká v dôsledku ich topenia.
Prečo ľad neklesá vo vode? Faktom je, že voda v tomto príklade je veľmi vzácna a vo svojej podstate jedinečná výnimka. V prírode sa iba kov a liatina správajú podobne ako kus ľadu plávajúci na hladine vody.
Ak by bol ľad ťažší ako voda, určite by sa vlastnou váhou potopil a zároveň by vytlačil na hladinu vodu nachádzajúcu sa v spodnej časti nádrže. V dôsledku toho by celá nádrž zamrzla až na samé dno! Keď však voda zamrzne, nastáva úplne iná situácia. Premena vody na ľad zväčší svoj objem približne o 10% a je to práve v tomto momente ľad má menšiu hustotu ako samotná voda. Z tohto dôvodu ľad pláva na hladine vody a neklesá. To isté možno pozorovať, keď sa na vodu spustí papierový čln, ktorého hustota je mnohokrát menšia ako hustota vody. Keby bol čln vyrobený z dreva alebo iného materiálu, určite by sa potopil. Ak porovnáme ukazovatele hustoty v číslach, potom napríklad, ak je hustota vody jedna, potom sa hustota ľadu bude rovnať 0,91.
Zvýšenie objemu vody, keď sa zmení na ľad, by sa malo brať do úvahy v každodennom živote. Stačí nechať sud naplnený po vrch vodou v chlade a tekutina zamrzne a roztrhne nádobu. Preto sa neodporúča nechávať vodu v chladiči vozidla, ktoré stojí v mraze. Pri silných mrazoch si tiež musíte dávať pozor na prerušenie dodávky teplej vody cez vykurovacie potrubia. Ak vo vonkajšom potrubí zostane voda, okamžite zamrzne, čo nevyhnutne povedie k poškodeniu prívodu vody.
Ako je známe, v oceánoch a moriach vo veľkých hĺbkach, kde je teplota pod nulou, voda stále nezamŕza a nepremieňa sa na blok ľadu. Vysvetlenie je celkom jednoduché – horné vrstvy vody vytvárajú obrovský tlak. Napríklad kilometrová vrstva vody tlačí silou viac ako sto atmosfér.
Ak by bola voda normálnou tekutinou a nie jedinečnou tekutinou, korčuľovanie by nás nebavilo. Nekotúľame sa na sklo, však? Ale je oveľa hladší a atraktívnejší ako ľad. Sklo je ale materiál, po ktorom sa korčule nebudú kĺzať. Ale na ľade, aj keď nie je veľmi kvalitný, je korčuľovanie potešením. Budete sa pýtať prečo? Faktom je, že váha nášho tela tlačí na veľmi tenkú čepeľ korčule, ktorá na ňu vyvíja silný tlak ľad. Následkom tohto tlaku od korčule sa ľad začne topiť, čím sa vytvorí tenký vodný film, po ktorom korčule dokonale kĺžu.
Ako vysvetliť dieťaťu zložité fyzikálne procesy?
Prvá vec, ktorá vás napadne, je hustota. Áno, v skutočnosti ľad pláva, pretože je menej hustý ako voda. Ako však dieťaťu vysvetliť, čo je hustota? Nikto nie je povinný povedať mu školské osnovy, ale je celkom možné to zredukovať na skutočnosť, že ľad je jednoduchší. Koniec koncov, v skutočnosti rovnaký objem vody a ľadu má rôznu hmotnosť. Ak problém preštudujeme podrobnejšie, môžeme okrem hustoty vyjadriť aj niekoľko ďalších dôvodov.
Ľad vo vode neklesá nielen preto, že jeho znížená hustota bráni tomu, aby klesol nižšie. Dôvodom je aj to, že v ľade sú zamrznuté malé vzduchové bublinky. Znižujú tiež hustotu, a preto sa vo všeobecnosti ukazuje, že hmotnosť ľadovej dosky je ešte menšia. Keď sa ľad roztiahne, nenaberie viac vzduchu, ale všetky tie bublinky, ktoré sú už vo vnútri tejto vrstvy, tam zostanú, kým sa ľad nezačne topiť alebo sublimovať.
Uskutočnenie experimentu o sile expanzie vody
Ale ako môžete dokázať, že ľad sa skutočne rozširuje? Veď aj voda sa môže rozpínať, tak ako sa to dá dokázať v umelých podmienkach? Môžete vykonať zaujímavý a veľmi jednoduchý experiment. Na to budete potrebovať plastový alebo kartónový pohár a vodu. Množstvo nemusí byť veľké, pohár nemusíte napĺňať až po okraj. Tiež v ideálnom prípade potrebujete teplotu okolo -8 stupňov alebo nižšiu. Ak je teplota príliš vysoká, zážitok bude trvať neprimerane dlho.
Voda sa teda naleje dovnútra, musíme počkať, kým sa vytvorí ľad. Keďže sme zvolili optimálnu teplotu, pri ktorej sa malý objem tekutiny premení v priebehu dvoch až troch hodín na ľad, pokojne môžete ísť domov a čakať. Musíte počkať, kým sa všetka voda zmení na ľad. Po chvíli sa pozrieme na výsledok. Pohár, ktorý je zdeformovaný alebo roztrhnutý ľadom, je zaručený. Pri nižšej teplote vyzerajú efekty pôsobivejšie a samotný experiment trvá menej času.
Negatívne dôsledky
Ukazuje sa, že jednoduchý experiment potvrdzuje, že ľadové bloky sa pri znižovaní teploty naozaj rozťahujú a objem vody sa pri mrazení ľahko zväčšuje. Táto funkcia spravidla spôsobuje veľa problémov zábudlivým ľuďom: fľaša šampanského ponechaná na balkóne počas silvestrovských prestávok v dôsledku vystavenia ľadu. Keďže expanzná sila je veľmi veľká, nedá sa nijako ovplyvniť. No a čo sa týka vztlaku ľadových blokov, tu nie je čo dokazovať. Tí najzvedavejší môžu ľahko uskutočniť podobný experiment na jar alebo na jeseň sami a pokúsiť sa utopiť kusy ľadu vo veľkej mláke.
Nikto nepochybuje o tom, že ľad pláva na vode; každý to videl stokrát na rybníku aj na rieke.
Koľko ľudí sa však zamyslelo nad touto otázkou: správajú sa všetky pevné látky rovnako ako ľad, to znamená, že plávajú v kvapalinách vznikajúcich pri ich topení?
Parafín alebo vosk roztopte v tégliku a do tejto tekutiny vhoďte ďalší kúsok tej istej tuhej látky, hneď sa potopí. To isté sa stane s olovom, cínom a mnohými ďalšími látkami. Ukazuje sa, že pevné látky spravidla vždy klesajú v kvapalinách, ktoré vznikajú pri ich topení.
Narábanie s vodou najčastejšie, sme tak zvyknutí na opačný jav, že často zabúdame na túto vlastnosť, charakteristickú pre všetky ostatné látky. Treba pripomenúť, že voda je v tomto smere vzácnou výnimkou. Iba kovový bizmut a liatina sa správajú rovnako ako voda.
Ak by bol ľad ťažší ako voda a nezostával by na jeho povrchu, ale klesal, tak aj v hlbokých nádržiach by voda v zime úplne zamrzla. V skutočnosti by ľad padajúci na dno jazierka vytlačil spodné vrstvy vody nahor, a to by sa dialo dovtedy, kým sa všetka voda nezmenila na ľad.
Keď však voda zamrzne, stane sa pravý opak. V momente, keď sa voda premení na ľad, jej objem sa náhle zväčší asi o 10 percent, čím je ľad menej hustý ako voda. Preto pláva vo vode, tak ako každé teleso pláva v kvapaline s vysokou hustotou: železný klinec v ortuti, korok v oleji atď. Ak predpokladáme, že hustota vody sa rovná jednotke, potom hustota ľad bude len 0,91. Tento údaj nám umožňuje zistiť hrúbku ľadovej kryhy plávajúcej na vode. Ak je výška ľadovej kryhy nad vodou napríklad 2 centimetre, potom môžeme dospieť k záveru, že podvodná vrstva ľadovej kryhy je 9-krát hrubšia, to znamená 18 centimetrov, a celá ľadová kryha je 20 centimetrov hrubé.
V moriach a oceánoch sa niekedy nachádzajú obrovské ľadové hory – ľadovce (obr. 4). Ide o ľadovce, ktoré sa zosunuli z polárnych hôr a sú prúdom a vetrom zanesené do otvoreného mora. Ich výška môže dosiahnuť 200 metrov a ich objem môže dosiahnuť niekoľko miliónov metrov kubických. Deväť desatín celkovej hmotnosti ľadovca je skrytých pod vodou. Preto je stretnutie s ním veľmi nebezpečné. Ak si loď včas nevšimne pohybujúceho sa ľadového obra, môže utrpieť vážne poškodenie alebo dokonca zomrieť pri kolízii.
Náhle zväčšenie objemu pri prechode tekutej vody na ľad je dôležitou vlastnosťou vody. Táto vlastnosť sa musí často brať do úvahy v praktickom živote. Ak necháte sud s vodou v chlade, voda zamrzne a sud praskne. Z rovnakého dôvodu by ste nemali nechávať vodu v chladiči auta zaparkovaného v studenej garáži. Pri silných mrazoch si musíte dávať pozor na najmenšie prerušenie dodávky teplej vody cez potrubia na ohrev vody: voda, ktorá sa zastavila vo vonkajšom potrubí, môže rýchlo zamrznúť a potom potrubie praskne.
Voda, ktorá mrzne v skalných puklinách, často spôsobuje zrútenie hôr.
Uvažujme teraz o jednom experimente, ktorý priamo súvisí s expanziou vody pri zahrievaní. Usporiadanie tohto experimentu si vyžaduje špeciálne vybavenie a je nepravdepodobné, že by si ho nejaký čitateľ mohol reprodukovať doma. Áno, nie je to nevyhnutné; Skúsenosť je ľahko predstaviteľná a pokúsime sa potvrdiť jej výsledky pomocou príkladov, ktoré sú známe každému.
Vezmeme veľmi pevný kov, najlepšie oceľový valec (obr. 5), nasypeme dnu trochu brokov, naplníme vodou, zaistime veko skrutkami a začneme otáčať skrutkou. Pretože sa voda stláča veľmi málo, nebudete musieť skrutku dlho otáčať. Už po niekoľkých otáčkach stúpne tlak vo valci na stovky atmosfér. Ak teraz schladíte valec aj 2-3 stupne pod nulu, voda v ňom nezamrzne. Ale ako si tým môžeš byť istý? Ak otvoríme valec, pri tejto teplote a atmosférickom tlaku sa voda okamžite zmení na ľad a my nebudeme vedieť, či bola tekutá alebo pevná, keď bola pod tlakom. Tu nám pomôžu sypané pelety. Keď valec vychladne, otočte ho hore dnom. Ak je voda zamrznutá, brok bude ležať na dne, ak nie je zamrznutý, brok sa zhromaždí na veku. Odskrutkujme skrutku. Tlak klesne a voda určite zamrzne. Po odstránení veka sa presvedčíme, že sa všetok výstrel nazbieral v blízkosti veka. To znamená, že voda pod tlakom nezamrzla pri teplotách pod nulou.
Prax ukazuje, že bod tuhnutia vody klesá so zvyšujúcim sa tlakom približne o jeden stupeň na každých 130 atmosfér.
Ak by sme svoje úvahy začali zakladať na pozorovaniach mnohých iných látok, museli by sme dospieť k opačnému záveru. Tlak zvyčajne pomáha kvapalinám stuhnúť: pod tlakom kvapaliny zamŕzajú pri vyššej teplote a to nie je prekvapujúce, ak si spomeniete, že väčšina látok pri tuhnutí zmenšuje svoj objem. Tlak spôsobuje zmenšenie objemu a to uľahčuje prechod kvapaliny do tuhého skupenstva. Voda pri tuhnutí, ako už vieme, nezmenšuje svoj objem, ale naopak sa rozťahuje. Preto tlak, ktorý zabraňuje expanzii vody, znižuje jej bod tuhnutia.
Je známe, že v oceánoch vo veľkých hĺbkach je teplota vody pod nulou stupňov a napriek tomu voda v týchto hĺbkach nezamŕza. Vysvetľuje to tlak vytvorený hornými vrstvami vody. Vrstva vody s hrúbkou jedného kilometra lisuje silou asi sto atmosfér.
Ak by bola voda normálnou tekutinou, sotva by sme zažili pôžitok z korčuľovania na ľade. Bolo by to rovnaké, ako keby ste sa valili po dokonale hladkom skle. Korčule sa na skle nešmýkajú. Na ľade je to úplne iné. Korčuľovanie na ľade je veľmi jednoduché. prečo? Tenká čepeľ korčule pod váhou nášho tela vytvára dosť silný tlak na ľad a ľad pod korčuľou sa topí; vytvorí sa tenký film vody, ktorý slúži ako výborné mazivo.
