Ahoj Honzo,

děkujeme za letní dotaz do naší poradny, jsem rád, že i přes vcelku úmorné vedro se stále najdou lidé, kteří přemýšlí nad jevy ve svém okolí a také důvěřují naší poradně, že je dokážeme vysvětlit.

Po pravdě jsem se nad tvým dotazem i docela „zapotil“ a nebylo to způsobeno venkovní teplotou.

V principu do pohybu míče vstupují tři síly – tíha míče, vztlaková síla a odporová síla vody. Tíha míče závisí na jeho objemu a hustotě, vztlaková síla závisí opět na objemu míče a na hustotě vody. Čím větší je rozdíl mezi hustotou míče a vody, tím větší vliv bude mít vztlaková síla. Odporová síla vody závisí na povrchu (ploše) míče, hustotě vody, tvaru tělesa a také na druhé mocnině rychlosti. To znamená, že čím rychleji se pohybujeme, tím větší bude odporová síla vody. Protože odporová síla závisí na druhé mocnině rychlosti, bude velmi rychle růst (pokud se bude míč pohybovat 2x rychleji, bude odporová síla větší 4x, při trojnásobné rychlosti bude větší už 9x!).

Pohyb míče ve vodě je určen výslednicí těchto 3 sil (vztlaková síla působí vzhůru, odporová a tíhová síla působí dolů). Kdybychom se na celý pohyb dívali postupně, viděli bychom, že míč vlivem vztlakové síly zrychluje (odporová síla je na začátku nulová) a tím, jak se zvyšuje jeho rychlost, bude se zvyšovat i odporová síla a tak se zrychlení míče bude snižovat až do situace, kdy výsledná síla (vztlaková-odporová-tíha míčku) bude nulová. Pak se míček bude dle 1. Newtonova zákona pohybovat konstantní rychlostí. Zhruba jsem si spočítal, že míček o průměru 50 cm a hustotě 500 kg/m3 by se pohyboval rychlostí cca 1m/s. Je jedno, z jaké hloubky bychom jej vypustili, větší rychlosti nedosáhne.

Pak by to ale mělo být tak, že pokud míček pustíme pod hladinou, nebo ode dna, měl by vyskočit zhruba stejně vysoko (čím blíže k hladině, tím menší rychlost by měl mít).

Těsně pod hladinou pak do pohybu míčku zasáhne i další síla – povrchová síla kapaliny. To je síla, kterou se vzájemně přitahují molekuly těsně u hladiny kapaliny. Díky této síle se mohou po hladině pohybovat vodoměrky, nebo hladina udrží např. žiletku či stěna stanu nepropustí vodu dovnitř. Ale i tato síla by měla být stejná pro míček, který putuje ze dna i míček, který je těsně pod hladinou.

V tomto místě končí klasická fyzika se svými idealizacemi (anebo mé znalosti) a přichází realita, která s idealizacemi nepracuje. Největší rozdíl oproti uvedené idealizaci vidím v odporové síle (a také proto se velikost odporové síly na konkrétní tělesa určuje experimentálně, nebo počítačovým modelováním). Idealizovaná představa odporové síly je taková, že pohybující se těleso zhušťuje prostředí před sebou a zřeďuje jej za sebou. To docela hezky funguje u vzduchu, který je dobře stlačitelný. Protože voda stlačitelná není (tedy alespoň ne jednoduše), tlačí při pohybu vzhůru míček i část vody ze sloupce nad sebou. Část vody se sice přelije mimo trajektorii míčku, ale ne všechna. Tuto vodu nad sebou míček stále tlačí, čím rychleji se bude pohybovat, tím víc vody nestačí přetéci a tím více bude brzděn. Při vystoupení nad hladinu s sebou míček, puštěný ve větší hloubce vyzvedne více vody, než ten, který jsme pustili pod hladinou.

Jen upozorním na to, že výsledná hodnota byla určena hrubým výpočtem a také, že poslední odstavec je spíše mou spekulací, než přesným fyzikálním popisem. Ten je totiž v případě proudění reálných tekutin vcelku těžko řešitelný.

Doufám, že i tak se mi podařilo osvětlit pohyb míčku v bazénu a nechť tě v bazénu provází (vztlaková) síla.