A Toricelli-kísérlet vízzel
Zsigó Zsolt
2005/02/23 15:28
2380 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
Megismételjük többek között Evangelista Toricelli híres kísérletét (1643) és megmutatjuk, hogy a levegő nyomása több emelet magasságú vízoszloppal tart egyensúlyt.

Szükséges anyagok, eszközök

·1 méter hosszú üvegcső,
·10 méter hosszú, átlátszó műanyagcső, esetleg gumicső (az üvegcsőre szorosan illeszkedő),
·Gumidugó (az üvegcső végét jól záró),
·Egy vödörnyi festett víz (pl. hipermangánnal),
·Két darab 50 centiméteres vonalzó,
·Mérőszalag,
·Kb. 12 méter hosszú, erős spárga,
·Nehezék (pl. 1-2 kg-os "mérlegsúly", vagy kő).

A kísérlet összeállítása, bemutatása

Keressünk egy olyan helyet az iskolában vagy környékén, ahol biztosítani tudjuk a kísérlet elvégzéséhez szükséges 10-11 méternyi magasságkülönbséget! Pl. jól meg-felel egy emeletes épület 2. emeleti ablaka.

A kísérlet helyszínén mérőszalag (vagy az azt helyettesítő, "bemért" hosszúságú spárga) segítségével az udvaron, a fal tövétől 10 méteres magasságban helyezzünk el egy lentről is jól látható jelet az ablakfélfán (pl. színes papírcsíkot felragasztva)! Erre a jelre a kísérlet során lesz szükség.

Húzzuk rá a műanyagcső egyik végét az üvegcsőre! A csatlakozás megfelelő zárásához spárgával vagy rézhuzallal erősítsük meg a műanyagcsövet az üvegcsövön!

A kísérlet helyszínén húzzuk ki a csövet egyenesre, és fektessük le a földre! Szabad végére spárgával kössük rá a nehezéket, s azzal együtt tegyük bele a vödör vízbe! A csőnek ez a vége ekkor a vödör aljáig nyúljon le (1. ábra)!
1. ábra Rakjuk fel a vödröt egy székre, majd az üvegcső végénél egy erőteljes szívással (szivornyaként működtetve) indítsuk meg a vizet! Amikor a víz már egybefüggően, buborékmentesen áramlik ki, zárjuk le az üvegcső végét a gumidugóval!

Az ablakból lógassuk le a hosszú spárga egyik végét, rögzítsük az üvegcsövet hozzá úgy, hogy a cső a gumidugós végével felfelé álljon (2. ábra)!
2. ábra Ezt követően húzzuk fel a megjelölt hely magasságába, vigyázva, hogy az alsó csővég állandóan a vederben levő víz felszíne alatt maradjon!

Miután az üvegcső dugós vége túlhaladt a 10 méter magasságban elhelyezett jelölésen, kezd kialakulni a Torricelli-féle űr. (Eközben egy érdekes jelenség is mutatkozik: a lecsökkent nyomáson a víz forrni kezd. A forrás a víz fölötti gőztér telítődéséig tart.)
A forrás megszűnte után az üvegcsövet úgy tartsuk (rögzítsük), hogy a cső hosszának felezőpontja kb. az ablakfélfán elhelyezett jelölésnél legyen!
Hiába emeljük egy pontnál feljebb a csövet, a vízszint visszatér az adott magasságba.
3. ábra Ez után határozhatjuk meg (a vonalzók segítségével) a folyadékfelszínek távolságát (3. ábra): A h értéke normál légköri nyomás esetén közelít a 10,33 m-hez.

Magyarázat

Az üvegcsőből a vizet a levegő nyomása nem engedi kifolyni. A csőben tornyosuló vízoszlop hidrosztatikai nyomása és a vödörben levő víz felszínére nehezedő légnyomás egyensúlyt tart: A mérés során a 10,33 métertől való eltérés elsősorban az adott helyen és időben fennálló légnyomásból, kis részben a Torricelli-űrben levő telített gőznyomás miatti vízfelszín-csökkenésből adódik. Ezért a kialakult vízmagasság a fent megadott értéktől akár 30-40 centiméterrel is különbözhet.

Kezdetben a forrásba induló víz belsejében keletkező gőzbuborékok a vízszintet megemelik, s úgy tűnik, mintha fizikai lehetetlenséggel állnánk szemben. Amikor a vízgőz a vízoszlop feletti űrben telítetté válik, és megszűnik a forrás, a vízfelszín beáll a "normális" magasságba.

Megjegyzések, kiegészítések

A vízzel működő Torricelli-kísérletet, mint ahogy a leírásból is kitűnhetett, egy személy nem képes elvégezni. Ez egy kollektív kísérlet, az előkészítési munkálatoktól a lebonyolításig.

A vizes barométert érdemes néhány napig közszemlén hagyni. Légnyomásadatokat jegyeztethetünk fel, összefüggésbe hozva azt az időjárással, egyeztetve a száraz barométer állásával.

A cső feltöltése felülről, függőlegesen rögzített állapotában, tölcsérrel is megoldható. Miközben az alsó csővég a veder vízszintje alatt el van szorítva, megtöltjük színültig vízzel, felül bedugjuk, s ez után tesszük szabaddá az alsó, vederben lévő végét! Ez az eljárás hosszadalmas a feltöltés során a csőben keletkező, csak lassan felszálló légzárványok miatt. Vékony cső esetében különösen hosszú időt vesz igénybe. Előnye viszont, hogy előzetesen rögzíthető az adott helyen az üvegcső.

Ha a műanyagból készült cső nem eléggé lágy, nem szorul rugalmasan az üvegcsőre, a rendszerbe könnyen levegő kerülhet. Ez meghamisíthatja, esetleg meg is hiusíthatja a méréseket.

A kapott eredmények pontosságát csökkenti a cső belső falán megtapadó, szemmel alig vagy nem látható gázbuborékok sokasága, melyek a nyomáscsökkenés következtében megnövekedve már képesek leszakadni a csőfalról, s feljutnak a felszínre. A buborékok számát csökkenthetjük, ha kiforralt vizet használunk.

Dr. Vida József

Csatlakozz hozzánk!

Ajánljuk

European Schoolnet Academy Ingyenes online tanfolyamok tanároknak
School Education Gateway Ingyenes tanfolyamok és sok más tanárok számára
ENABLE pilot Program iskoláknak a bullying ellen
eBiztonság Minősítés Minősítési rendszer oktatási intézményeknek