Niezwykłe przypadki odskoku hydraulicznego
Pierwsze z nich to odkrycie Hansa Oersteda, które rozszerzyło wiedzę o zjawiskach elektrycznych, ponieważ wykazało ich związek ze zjawiskami magnetycznymi, uważanymi do tego czasu za niezależne od siebie. W 1820 r. Oersted podczas wykładu wykonywał doświadczenie, używając do tego celu prostego przewodu przyłączonego do źródła prądu. Przypadkowo w pobliżu tego przewodu pozostawił igłę magnetyczną. Jak wiadomo, przy braku dodatkowych pól, taka igła ustawia się wzdłuż kierunku północ-południe. Gdy przez przewód popłynął prąd, wtedy okazało się, że igła ulega odchyleniu od tego kierunku. Przyczyną zaobserwowanego efektu było pole magnetyczne, wytwarzane przez płynący w przewodzie prąd elektryczny. Igła magnetyczna ustawiała się wzdłuż kierunku wypadkowego pola magnetycznego Ziemi i pola wytwarzanego przez przewód z prądem.
Drugi interesujący przypadek zdarzył się w 1895 r., kiedy to Wilhelm Roentgen badał właściwości promieni katodowych, czyli strumieni elektronów, poruszających wewnątrz szklanej rurki, w której znacznie obniżono ciśnienie powietrza. W ścianki rurki były wtopione elektrody, przyłączone do zasilacza wysokiego napięcia. Promienie katodowe, padając na ściankę rurki albo na umieszczone w niej przedmioty, powodowały ich świecenie. Roentgen zauważył jednak, że pozostawiona przypadkowo w pobliżu rurki płytka pokryta luminoforem też świeci. Wiadomo było, iż promienie katodowe nie mogą przenikać przez szkło. Przyczyną świecenia mógł być tylko jakiś nieznany dotychczas rodzaj promieniowania, wytwarzany przez elektrony i przenikający przez ścianki rurki. Roentgen nazwał ten nowy rodzaj promieniowania, "promieniami X". Jak się wkrótce okazało, to odkrycie miało ogromne znaczenie poznawcze i praktyczne, szczególnie w medycynie i dało początek nowej specjalności, nazywanej dziś diagnostyką obrazową.
Również zjawisko, a właściwie jego widowiskowa odmiana, które jest opisane w tym artykule, zostało zauważone przypadkowo. Po wyjęciu z lodówki napój okazał się zbyt zimny, żeby można go wypić. W celu ogrzania butelkę z napojem, zamkniętą płaską, plastikową zakrętką, ustawiono w zlewie kuchennym i skierowano na nią strumień ciepłej wody. Przypadkowo środek zakrętki znalazł się dokładnie na osi wypływającego strumienia, a pozostałe parametry układu zostały odpowiednio dobrane. Wtedy to woda, zamiast spływać po ściankach butelki utworzyła widowiskowy parasol, okrywający butelkę. Obserwacjom i wyjaśnieniu tego efektu będzie poświęcone kilka bardzo prostych doświadczeń, których przeprowadzenie nie wymaga żadnych przygotowań, gdyż można je wykonać w czasie kilku minut w zlewie kuchennym przy użyciu przedmiotów codziennego użytku. Dlatego warto samodzielnie przeprowadzić te doświadczenia, a może również pokazać je znajomym.
Przypadek najprostszy
Niech laminarny, czyli płynący bez zawirowań, strumień cieczy spada w dół i uderza w płaską, twardą, poziomą powierzchnię. W eksperymentach kuchennych używaną cieczą będzie woda. Po uderzeniu strumień rozpływa się po tej powierzchni radialnie i tworzy warstwę o niewielkiej grubości, otoczoną podwyższonym brzegiem z widocznymi zawirowaniami (1). Tak wygląda najprostszy przypadek odskoku hydraulicznego - żeby go zaobserwować, wystarczy odkręcić kran i skierować strumień wody na płaskie dno zlewu. Należy przy tym zwrócić uwagę na pewien szczegół. Polega on na tym, że woda po odskoku, dopływając do ściany zlewu, wznosi się na pewną wysokość i przy górnym brzegu tego wzniesienia tworzy "zgrubienie", w którym jest widoczna większa ilość zawirowań. W kolejnych częściach artykułu zostaną opisane nieco zmienione wersje tej sytuacji doświadczalnej, dające widowiskowe efekty.
Kolejny eksperyment
Opisane dalej eksperymenty też są bardzo łatwe do przeprowadzenia i praktycznie nie wymagają żadnych przygotowań -oprócz dostępu do zlewu w kuchni albo w łazience wystarczy kilka plastikowych opakowań. Żeby przeprowadzić pierwsze z tych doświadczeń, potrzebna będzie plastikowa butelka, np. od kefiru lub szamponu z płaską zakrętką. Dla lepszej stabilności butelkę można napełnić wodą, a następnie należy ją szczelnie zakręcić i ustawić w zlewie tak, żeby środek zakrętki znalazł się pod wylotem rurki odpływowej kranu. W praktyce odległość zakrętki od końca rurki wynosić od kilku do kilkunastu cm. Powoli odkręcając kran, kieruje się strumień wody na zakrętkę. Wypływ wody powinien zachodzić strumieniem laminarnym, tzn. niewykazującym zaburzeń. Najczęściej na koniec rury odpływowej kranu (w żargonie hydraulików "fajki") jest wkręcona tulejka, zawierająca zespół sitek, tzw. perlator, który m.in. zapewnia laminarność wypływającego strumienia. Obserwuje się wtedy, że woda padającą na środek zakrętki odbija się od niej i rozpływa radialnie we wszystkich kierunkach. Warstwa tej wody tworzy tzw. film cieczy, który po przekroczeniu brzegu zakrętki porusza się w powietrzu po powierzchni przypominającej powierzchnię paraboloidy lub elipsoidy (2).
Trochę teorii
Dokładniejsza analiza zauważonego efektu prowadzi do wniosku, że jest to współwystępowanie dwóch znanych zjawisk - odskoku hydraulicznego na powierzchni zakrętki oraz znanego z lekcji fizyki rzutu poziomego. Jeżeli zostaną pominięte opory ruchu i zakrzywienie powierzchni filmu wodnego w dolnej części, to zasięg tego rzutu z wyraża się podawanym w szkolnych podręcznikach wzorem:
We wzorze (1) v0 oznacza prędkość początkową, zaś h jest wysokością, z której następuje rzut, natomiast g to przyspieszenie ziemskie. W rozpatrywanym przypadku v0 jest prędkością wody spływającej zakrętki, a h wysokością butelki. Zasięg rzutu z jest promieniem okręgu, wzdłuż którego powierzchnia paraboloidy utworzonej z wody przecina powierzchnię zlewu. Żeby jakościowo sprawdzić słuszność zastosowania wzoru (1), wystarczy zwiększyć prędkość strumienia wody spływającej na zakrętkę. Dokonuje się tego, bardziej odkręcając kran, co powoduje wzrost rozmiarów powierzchni paraboloidy i zasięgu z.
Więcej doświadczeń
Do obserwacji opisanego wcześniej efektu można wykorzystać nie tylko butelkę, ale również inne naczynia z płaską pokrywką, np. pudełko od pasty do czyszczenia naczyń albo dowolny przedmiot o płaskiej powierzchni górnej, na którą zostanie skierowany strumień wody. Taka wersja doświadczenia została przedstawiona na fotografii 3. Ważne jest, żeby pokrywka nie miała obrzeża, wystającego ponad środkową część jej powierzchni. Powierzchnia, na którą pada strumień cieczy, nie powinna też być zbyt duża. Jeżeli te warunki nie będą spełnione, np. do doświadczenie zostanie użyty odwrócony talerz, mający zwykle od spodu wystający brzeg i dość dużą powierzchnię, to strumień wody rozpływający się po nim wytraci swoją prędkość. Nastąpi to w wyniku działania sił lepkości i zamiany energii kinetycznej strumienia na energię potencjalną ciężkości, potrzebną do pokonania wystającego brzegu. Spływająca z brzegu takiego przedmiotu woda będzie miała prawie zerową prędkość skierowaną poziomo i nie utworzy efektownej powierzchni paraboloidy obrotowej, tylko będzie opadała pionowymi strużkami (4).
do czyszczenia naczyń
- plastikowej tacki od produktów spożywczych
Jak wspomniano wcześniej, zasięg rzutu poziomego i związany z tym dolny promień powierzchni paraboloidy zależą od prędkości początkowej wody v0 po odskoku na płaskiej powierzchni. Z kolei ta prędkość zależy od prędkości pionowej strumienia wody przed odskokiem vh. Jednym ze sposobów zwiększenia vh jest umożliwienie wodzie spływania z większej wysokości. W tym celu wystarczy wykorzystać butelkę lub naczynie o mniejszej wysokości. Otrzymuje się wtedy widowiskowy efekt, pokazany na fotografii 5. Również piękny efekt można otrzymać, gdy do odskoku zostanie zastosowana niewielka powierzchnia wklęsła zamiast powierzchni płaskiej. Bardzo dobrze nadaje się do tego celu ustawiona w strumieniu wody łyżeczka (6). Ten efekt jest wynikiem połączenia odskoku hydraulicznego z rzutem ukośnym, również znanym ze szkolnych podręczników fizyki.
odskok hydrauliczny, tym razem zachodzący wraz z rzutem ukośnym
Domek zbudowany z …wody
Efekt formowania przez wodę po odskoku hydraulicznym powierzchni w kształcie paraboloidy obrotowej można zrealizować w dużej skali, porównywalnej ze wzrostem człowieka i wykorzystać do celów rekreacyjnych lub edukacyjnych, np. w ogrodzie doświadczeń lub w aquaparku. Atrakcją będzie umożliwienie zwiedzającym wejścia pod utworzoną z wody powierzchnię bez konieczności zmoczenia ubrania. Jednym ze sposobów realizacji takiego pomysłu jest ustawienie kolumny z płaską powierzchnią górną, na którą będzie padał pionowo strumień wody. Na pewnym odcinku przy brzegu tej powierzchni należy umieścić ogranicznik w kształcie wystającego ku górze obrzeża. Dzięki temu w powierzchni paraboloidy utworzonej z opadającej wody pojawi się przerwa, stanowiąca "drzwi", które umożliwią wejście do takiego domku wodnego. Mały model opisanego domku wodnego albo, jak kto woli, parasola lub namiotu, zrealizowanego w zlewie kuchennym, został pokazany na fotografii 7.
i rozpływu na zakrętce plastikowej butelki od szamponu z ogranicznikiem
wykonanym z kawałka drutu (fragment spinacza biurowego),
przymocowanym taśmą klejącą do brzegu zakrętki
Odskok cieczy bardzo lepkiej
Efekt odbicia hydraulicznego przybiera szczególnie interesującą formę w przypadku opadania strumienia cieczy o bardzo dużej lepkości, która zależy od szybkości przepływu. Ciecze wykazujące taką właściwość są nazywane cieczami nienewtonowskimi albo cieczami reologicznymi. Przykładami takich cieczy są żywice epoksydowe, a także różnego rodzaju zawiesiny, m.in. farby. W warunkach kuchennych najłatwiej będzie wytworzyć zawiesinę reologiczną w postaci mieszaniny mąki ziemniaczanej i wody, w której udział objętościowy obu wymienionych składników wynosi ok. 50%. Opadający strumień cieczy reologicznej tworzy swego rodzaju kolumnę, wykonującą ruch obrotowy wokół osi pionowej. Gdy ten strumień dotknie poziomej powierzchni, może być to dno naczynia lub powierzchnia już zebranej w nim cieczy, wówczas ta kolumna układa się jak opuszczana lina i powoli rozpływa w kierunku radialnym, tworząc współśrodkowe okręgi. Opisane zjawisko jest nazywane efektem Fano. Można je obserwować w kuchni przy użyciu wspomnianej zawiesiny mąki ziemniaczanej i wody, ale też podczas wlewania ciasta do brytfanny lub przelewania miodu. Od czasu do czasu w sklepach z zabawkami lub gadżetami można kupić przedmiot nazywany klepsydrą żelową. Jest to przezroczyste, dwukomorowe naczynie w kształcie cylindra, zaopatrzone w przegrodę z otworem, umieszczoną w połowie jego wysokości i wypełnione częściowo zabarwioną cieczą reologiczną. Efekt Fano w takim naczyniu przedstawia fotografii 8.
o bardzo dużej lepkości w tzw. klepsydrze żelowej (efekt Fano)
Perspektywy i zastosowania
Przedstawione doświadczenia łatwo zmodyfikować, uzyskując widowiskowe efekty i dochodząc do interesujących spostrzeżeń. Bo chociaż, jak wspomniano na wstępie, efekt został zauważony przypadkowo, to jednak przypadek nie sprzyja osobom bezczynnym - zarówno Oersted, jak i Roentgen prowadzili badania na inne tematy. Co ciekawe, przy użyciu wyszukiwarki Google nie udało się znaleźć w materiałach o otwartym dostępie fotografii ani opisów przedstawionych w tym artykule przypadków odskoku hydraulicznego. Opisane przypadki odskoku mogą też stanowić temat bardziej zaawansowanych prac badawczych o charakterze ilościowym. Przedmiotem badań może być wyodrębnienie i sformułowanie związków między wielkościami fizycznymi, wpływającymi na kształt powierzchni paraboloidy, tworzonej przez opadającą ciecz, w szczególności weryfikacja granic stosowalności wzoru (1).
Film wodny po odrzucie czasem zachowuje się w zaskakujący sposób i wraz z niewielką zmianą prędkości wypływu zmienia kształt z powierzchni paraboidalnej na silnie zwężoną u dołu powierzchnię zbliżoną do fragmentu powierzchni elipsoidalnej (9a i 9b). Prawdopodobną przyczyną tego efektu jest działanie sił między cząsteczkami wody i powietrza (siły spójności oraz siły przylegania). Spowodowane tymi siłami napięcie powierzchniowe dąży do zachowania ciągłości powierzchni, mimo wzrostu prędkości opadania. Problem ten wymaga jednak dokładniejszego zbadania.
w zależności od prędkości wypływu: a) kształt zbliżony do powierzchni paraboloidy,
b) kształt bardziej przypominający fragment powierzchni elipsoidy. Efekt uzyskano
w wyniku rozpływu wody po odrzucie hydraulicznym na zakrętce plastikowej
butelki od kefiru
Odskok hydrauliczny ma również istotne znacznie praktyczne, ponieważ zachodzi podczas przepływu w różnych budowlach hydrotechnicznych, np. stopniach wodnych, śluzach, zaporach. Naturalnym miejscem występowania tego efektu są niektóre wodospady. Dlatego to zjawisko stanowi częsty temat ćwiczeń laboratoryjnych dla studentów niektórych kierunków technicznych, np. budownictwa wodnego. W podręcznikach i instrukcjach do wspomnianych ćwiczeń znajduje się wiele informacji przydanych do dokładniejszego poznania tego intrygującego zjawiska.
Stanisław Bednarek
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Uniwersytetu Łódzkiego
