Cartesius-búvár
Zsigó Zsolt
2004/07/26 12:33
1819 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.

Úszás, lebegés és elmerülés szemléltetése a test átlagsűrűségének változtatásával.

Szükséges eszközök, anyagok - 40-50 centiméter magas, egyik végén zárt, talpas üveghenger (esetleg mérőhenger) - Nagy méretű gumidugó, amely a fenti henger száját légmentesen zárja - Kb. 6 milliméter átmérőjű, 5 centiméter hosszú alumínium, réz vagy műanyag cső - 40 centiméter hosszú gumicső (az alumíniumcsőre szorosan illeszkedő) - 2 darab 8-10 milliméter átmérőjű, 8-10 centiméter hosszúságú Wassermann-cső (kis méretű kémcső) - 5-10 cm3-es orvosi fecskendő, vékony tűvel - Radírgumi  - 800-1000 cm3-es főzőpohár  - 5 cm3-nyi festett benzin és ugyanennyi festett petróleum (a festést lásd a  Folyadékok festése c. fejezetben)  Elkészítése Az alábbiakban bemutatásra kerülő kísérleti eszköz kivitelezését és működtetését tekintve is különbözik a tankönyvekben ismertetett "hagyományos" Cartesius-búvároktól. Kedvező tulajdonságai közül kiemelhető a megbízható működés és a rövid idő alatti gyors összeállíthatóság. Fúrjunk a gumidugó közepébe egy akkora lyukat, amibe az alumíniumcső szorosan illeszkedik! A cső felső vége álljon ki a dugóból egy-két centiméterrel, hogy a gumicsövet rá tudjuk húzni! A kísérlethez két búvár szükséges. A Wassermann-csövek szájnyílását le kell szűkíteni 2-3 milliméter átmérőjűre (a. ábra), hogy a beletöltött folyadék akkor se folyjon ki, amikor azt szájával lefele tartjuk (pl. a hengerbe történő ki-berakosgatás közben)! Ez megoldható, ha rendelkezünk megfelelő hozzáértéssel és a szükséges üvegtechnikai apparátussal (pl. oxigénnel dúsított gázláng). Ennek hiányában a csövek nyílását radírgumiból dugófúróval vagy lyukasztóval kivágott kis gumihengerekkel zárjuk le, melyek közepébe 2-3 milliméteres lyukat fúrtunk (b ábra).  A búvárok feltöltése A két búvárnak a kísérlet során jól láthatónak, és egymástól jól megkülönböztethetőnek kell lennie. Ezeket a kívánalmakat a feltöltéshez használt folyadékok megfestésével érhetjük el. Alkalmas erre a célra a lilára színezett benzin és a narancssárga petróleum, mert egyik sem elegyedik a vízzel, és mindkettő a víznél kisebb sűrűségű (a festés nem feltétlenül szükséges, az ezzel járó előnyöket lásd a  későbbiekben!). A feltöltést vékony tűvel felszerelt fecskendővel végezzük! (A tű hegyét a balesetmegelőzés érdekében reszeljük le!) A búvárt szájával felfele tartva kb. 1:4 arányban töltsük meg vízzel, illetve színezett folyadékkal! A felső 2-3 centimétert hagyjuk üresen! Ezután, kipróbálás végett, nyílásával lefelé fordítva, tegyük egy nagy méretű vízzel telt pohárba! (A pohárban a víz magassága nagyobb legyen a búvár hosszától!) A megfelelően feltöltött búvárnak kis hányada áll ki a vízből, és ujjunkkal picit meglökve, könnyedén alámerül.  Ha a búvár nehéz (elmerül), a fecskendővel szívjunk ki belőle vizet (eközben levegő buborékol bele) (a. ábra), ha könnyű (nagy része áll ki a vízből), vízzel nehezítsük (b. ábra)! A két búvárnak beállításukban különböznie kell egymástól! Az egyik legyen érzékenyebb, azaz egészen kis lökésre is könnyedén merüljön alá!  A kísérlet beállítása Az üveghengert töltsük fel vízzel úgy, hogy felül 2-3 centiméter légtér maradjon! A leírtak szerint előkészített búvárokat helyezzük a vízbe, majd a hengert a gumicsővel felszerelt dugóval zárjuk le! A búvárok működése akkor megfelelő, ha 1. Mindkettő úszik a vízen (a. ábra); 2. Túlnyomás létrehozásával (a gumicsövön keresztül levegőt befújva a hengerbe) mindkettő elmerül (b. és c. ábra); 3. A túlnyomás megszüntetésével (a cső végét szabadon hagyva) az egyik feljön, de a másik a fenéken marad (d. ábra); 4. Légritkítás létesítésével (a gumicsövön keresztül szívóhatást kifejtve) a másik is feljön a felszínre (e. ábra); 5. A vákuum megszüntetésével (szabaddá téve a csővéget) újra úszik mindkét búvár. Amennyiben nem a fentiek szerint működnek, kisebb korrekciókkal (az ismertetett módszer alkalmazásával) néhány másodperc alatt könnyen beállíthatók.   Az előbbi öt pont egyben a Cartesius-búvár kísérleti eszköz működtetésének az öt fázisa.  A kísérlet A bemutatás kezdetén a búvárok úsznak a vízben, tehát az átlagsűrűsége mindkettőnek kisebb a víz sűrűségénél.  A gumicsövön át a henger légterébe befújva, a vízben is megnő a nyomás (Pascal törvénye). Ennek következtében a búvárokba az alsó nyíláson keresztül víz áramlik, bennük a levegő összenyomódik, (átlag) sűrűségük nagyobb lesz, mint a vízé ezért elsüllyednek.  A gumicső szabaddá tételével a túlnyomás megszűnik a hengerben, a búvárokban kitágul a levegő, sűrűségük csökken. Az egyik búvár sűrűsége oly mértékben változik, hogy felemelkedik a felszínre. A másik búvárban az üveghenger alján működő hidrosztatikai nyomás pedig összenyomva tartja a levegőt, így a búvár sűrűsége meghaladja a vízét, ezért továbbra is lent marad. A cső megszívásával a hengerben csökken a nyomás, a fenéken levő búvárban kitágul a levegő annyira, hogy sűrűsége a víz sűrűsége alá csökken, emiatt feljön a felszínre. A búvárok színezése segítséget nyújthat számunkra a megkülönböztetésükhöz, de főképpen a magyarázatnál jelent könnyebbséget, amikor az "egyik", illetve a "másik" megnevezés helyett a színek szerinti lila, illetve sárga nevekkel illethetjük őket.  (Az ismertetett kísérlet elemző feladatként szerepelt az Öveges József Országos Fizikaverseny döntőjén, Tatán, 1996-ban.)  Letölthető videó (211 Mb mpg)  Hasznos tanácsok Tüdőnkkel a gumicsövön keresztül (bizonyos határokon belül) szabályozhatjuk a hengerben a nyomást, így bármikor lebegési állapotba hozható akármelyik búvár. A víz hőmérsékletének néhány °C-os megváltozása, az egyszer már jól beszabályozott eszköznél, olyan eltérést eredményezhet, hogy újra el kell végezni a beállítást. Ezt megelőzendő, célszerű minden bemutatáskor eleve szobahőmérsékletű vizet használni. Friss csapvíz nem alkalmas a kísérlethez, mert annak levegő- és gáztartalma miatt buborékok rakódnak ki a henger belső falára, ezért a szemlélő elé csak zavaros látvány tárul. Célszerű pihentetett, kiforralt vagy desztillált vizet alkalmazni. A búvárokban stabilan megmaradó színes folyadékoszlop nyomásváltozáskor bekövetkező elmozdulása jól megfigyelhető, ami egyben jelzi a bennük elzárt levegőoszlop összenyomódását, illetve kitágulását. Ha a búvárokban színezett folyadék helyett víz van, mindez csak közvetlen közelről észlelhető. A bemutatás végeztével, tároláshoz nem szükséges a búvárokat kiüríteni! Szájukkal lefelé fordítva, egy vízzel félig telt, zárható (csavaros) tetejű üvegben tarthatók tetszőleges ideig. A színek kifakulását lassíthatjuk, ha a szertárban fénytől védett helyet keresünk számukra. Kiürült ampullát (pl. növényvédő szerest) átalakítás nélkül is alkalmazhatunk búvárnak, de koránt sincs annyira megbízható, mint a fentebb átalakított Wassermann-cső, és a kezelése (beállítása) is sokkal körülményesebb.  Többek által használt kísérleti eszköz esetében az egészségügyi szempontokat tekintve praktikus megoldást mutat az alábbi ábra. Működtetéséhez az eddigieken kívül szükséges még egy gumi körtefecskendő és egy, az akváriumok levegőztetésénél is alkalmazott T elágazócső. Használata az alábbiak szerint történik:  Túlnyomás létesítése a hengerben Fogjuk be a T elágazócső szabad nyílását, és nyomjuk össze a körtefecskendő gumilabdáját! Légritkítás létesítése a hengerben  Nyomjuk össze a gumilabdát, fogjuk be az elágazócső nyílását, majd engedjük el a labdát! (A Cartesius-búvár fenti megoldása 1996-ban a Csodák Palotája tudományos játszóházi kiállításra kiírt pályázaton ötletdíjban részesült.)  Dr. Vida József

Csoportot ajánlunk

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
A National Geographic A National Geographic honlapja.
Interpress Magazin Az IPM honlapja archívummal
Világtudomány.hu A magyar és nemzetközi tudományos élet hírei
Űr világ Asztronautikai hírportál