Fyzikální poradna

04. 12. 2019

Seskok parašutisty

Dobrý den, měl jsem s kolegou "fyzikální spor". Jde o seskok parašutisty. Tvrdil jsem, že seskok parašutisty je po celou dobu volný pád (tedy i po otevření padáku) a to za podmínky, že zanedbáváme odpor vzduchu. Kolega byl opačného názoru, ale neurčil, o jaký druh pohybu se jedná. Prosím o rozsouzení sporu. Děkuji V. B.

 

 

Dobrý den,

děkujeme za další dotaz do naší poradny, těší mě vaše důvěra a budu se snažit váš kolegiální spor vyřešit.

Pokud bychom brali pohyb parašutisty bez odporu vzduchu (tedy ve vakuu), tak správně odhadujete, že jde o volný pád. Jenže v tu chvíli nebude mít otevření padáku na pohyb parašutisty jakýkoliv vliv – nebude žádné okolní prostředí, které by na padák působilo. Pak tedy nemá padák v myšleném případě žádný efekt. Domnívám se, že tento případ jste na mysli neměli, neboť by v parašutista nedopadl dobře. Tedy určitě by dopadl, ale o velké rychlosti.

Pokud se na úlohu podíváme v reálném prostředí, tak by se do otevření padáku jednalo o zrychlený pohyb, ale zrychlení by se stále snižovalo. Odpor vzduchu totiž závisí na (druhé mocnině) rychlosti, tudíž čím rychleji se pohybujeme, tím více nás vzduch brzdí. I bez otevření padáku by parašutista dosáhl určité konstantní rychlosti, při které by byla tíhová síla stejně velká jako síla gravitační. Výsledná síla by tak byla nulová a z 1. Newtonova zákona víme, že těleso se v tomto případě pohybuje rovnoměrně přímočaře. Stejná situace nastane při otevření padáku, jen díky ploše a tvaru padáku je odpor vzduchu výrazně vyšší a tudíž k vyrovnání odporu vzduchu a tíhové síly dojde při nižší rychlosti.

Úplně přesně by to bylo tak, že po pádu se bude parašutista pohybovat nerovnoměrně zrychleně (viz výše), po otevření padáku by se pohyboval zpomaleně (zvětšení plochy a tvar padáku způsobí že odpor vzduchu je větší, než tíhová síla) tak dlouho, dokud by vlivem snížení rychlosti nedošlo k vyrovnání obou působících sil a pak by se parašutista pohyboval konstantní rychlostí. To, jak velká bude tato rychlost záleží na hmotnosti parašutisty (ta ovlivňuje tíhovou sílu) a na tvaru a ploše padáku (ta ovlivňuje velikost opačně působící odporové síly, kterou působí vzduch na pohybující se těleso). Asi nás nepřekvapí, že tvar padáku je volen právě tak, aby byla odporová síla největší. Pro úplnou přesnost doplním, že odpor vzduchu závisí ještě na hustotě vzduchu.

Doufám, že jsem situaci dostatečně vysvětlil a nenarušil přátelskou atmosféru na pracovišti.

 


Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická  Dukelská 13, České Budějovice

9

Autor

Jaroslav Koreš

10. 01. 2020

Bazén na měsíci

Je známá věc, že na Měsíci má člověk zhruba šestkrát menší tíhu než na Zemi. A teď si představte, že byl na Měsíci vybudován bazén a chcete se v něm vykoupat. Budeme i na Měsíci na základě Archimédova zákona ve vodě nadlehčováni šestkrát větší silou?
Děkuji za odpověď. S pozdravem Pavel R.


Ahoj Pavle,

děkujeme za dotaz do naší poradny. Ze začátku Tě musím pochválit za správnou terminologii – je to jak píšeš, tíha čehokoliv je na Měsíci (zhruba) 6x menší. Hmotnost je stále stejná. Zároveň jsi si vlastně odpověděl na svou otázku. Pokud (zhruba) uvedu slovní vyjádření Archimédova zákona, tak to bude určitě jasné: Těleso, ponořené do kapaliny, je nadlehčováno hydrostatickou vztlakovou silou o stejné velikosti, jako je tíha kapaliny o objemu ponořené části tělesa. Vztlaková síla tedy odpovídá tíze vytlačené kapaliny. A ta bude na Měsíci také 6x menší. Máme tedy situaci, kdy síla působící dolů (gravitace) je 6x menší a síla působící nahoru (vztlaková) je také 6x menší. Je tedy zřejmé, že koupání na Měsíci a na Zemi bude stejné (tedy pokud nebudeme brát v potaz absenci atmosféry, což je samozřejmě obecně dost důležitá podmínka ke správnému relaxování ve vodě).

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

2

Autor

Jaroslav Koreš

10. 01. 2020

Podtlak v cisterně

Dobrý den,
dočetl jsem se o metodě čerpání (fekálií), kdy se v cisterně odpálila dávka benzínu a vznikl tak podtlak. Není mi jasné, jak přesně to mohlo fungovat. Znám sice oblíbený pokus se svíčkou (jako http://fyzikalnipokusy.cz/1904/utopena-svicka ), ale tam musí nejdřív přetlak uniknout, jestli tomu dobře rozumím. Jinak by to fungovalo přesně opačně, jako ve válci spalovacího motoru, vznikl by přetlak... S pozdravem Libor

 

Ahoj Libore,

děkujeme za sice ne moc voňavý, ale praktický dotaz do naší poradny. Sice jsem nic podobného neslyšel, ale v principu to možné je. Vlastně je to stejné, jako pokus se svíčkou. Zapálením benzinu se zvýší teplota v cisterně. Při zvýšení teploty se začne vzduch v cisterně teplotní roztažností rozpínat. Pokud nebude mít kam unikat, tak vznikne v nádobě přetlak.

Po tom, co benzín shoří se teplota sníží. Tím se plyn začne vracet do původního objemu. Pokud v první části tohoto děje plyn nikam neunikl, tak se tlak sníží na počáteční hodnotu (v případě stejných počátečních a konečných podmínek). Pokud však plyn unikl, je ho v cisterně méně a tudíž se při ochlazování začne snižovat tlak a v cisterně vznikne podtlak. Tento podtlak vtáhne do cisterny požadovaný obsah.

Takže výsledek celého „pokusu“ záleží na tom, zda přetlak může uniknout ven a to tak, aby jej nenahradil okolní vzduch, ale požadovaný materiál. V případě pokusu se svíčkou je voda tou zábranou, která pustí vzduch ze skleničky, ale už mu nedovolí se vrátit zpátky (má menší hustotu než voda). Pokud bychom se pečlivě dívali, tak při pokusu se svíčkou uvidíme před uhasnutím svíčky bubliny ve vodě kolem skleničky – tak uniká ohřátý vzduch ze sklenice.

Jestli bychom tedy chtěli takto výbušně čerpat fekálie, museli bychom do fekálií ponořit hadici, spojenou s cisternou. V cisterně bychom zapálili benzín, vzniklý přetlak by hadicí vybublal přes fekálie ven a po ochlazení cisterny by podtlak fekálie nasál.

Osobně bych to tak ale nedělal…

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

22

Autor

Jaroslav Koreš

10. 01. 2020

Elektrický spotřebič ve vaně

Už delší dobu řeším problém: Často vidíme ve filmech, že se někdo koupe ve vaně a jiný do vody hodí nějaký zapnutý el. spotřebič a koupající se osoba zemře. TO se mně jeví jako nesmysl, protože kovová vana je uzemněná a spotřebič ve vodě vypne el. jistič. Ve škole jsme kdysi dělali pokus, že voda vedla el. proud až jsme ji pořádně osolili. Děkuji za vysvětlení. Štěpán

Ahoj Štěpáne,

doufám, že tento problém řešíš pouze v teoretické rovině.

Pokus, který popisuješ byl nejspíše proveden s destilovanou vodou – ta neobsahuje ionty, což jsou volně pohyblivé nabité částice. Podmínkou vedení el. proudu je to, že materiál, kterým chceme el. proud vést obsahuje volně pohyblivé nabité částice. V kovech jsou to typicky volné elektrony, v kapalinách a plynech ionty. Přidáním soli do destilované vody dojde k disociaci – molekula soli NaCl se rozloží na ionty Na+ a Cl-. Pak voda může vést. Voda z kohoutku již různé ionty obsahuje a tudíž je vodivá.

Vana by měla být uzemněná a uzemnění by mělo být s co nejmenším přechodovým odporem (schválně píši mělo by). Jistič se vypne při jmenovitém proudu, který je na něm uveden za cca 0,1 sekundy (záleží na typu jističe a protékajícím proudu).

Protože pro člověka je nebezpečí střídavého proudu typicky v tom, že bude působit frekvencí 50 Hz na srdce, které má frekvenci cca 1 Hz, neočekával bych, že za tak malou dobu dojde zásadnímu vlivu na činnost srdce (5 střídavých pulzů do doby vypnutí), popálení za tak malou dobu také jistě nebude smrtelné.

Problém by však nastal, pokud proud při vhození spotřebiče do vany nebude dostačující k vypnutí jističe – 10 A jistič vypne při proudu 10 A. Z Ohmova zákona můžeme spočítat, že odpor vody a uzemnění vany by musel být menší, než 23 Ohmů (230/10). Pokud by byl odpor vyšší, tak jistič nevypne. Proto by měl být v koupelnách instalován proudový chránič, který je schopen vypnout při proudech v řádech desítek mA. Smrtelný proud pro člověka se udává kolem 150 mA. S klasickým jističem tedy může nastat situace, že proud bude nižší, než zkratový proud jističe a tudíž nedojde k jeho rozpojení, ale bude mnohem vyšší, než proud, který je pro člověka smrtelný (navíc ve vodě je odpor povrchu těla nižší).

Celý příklad popisuje situaci, kdy byla do vody přivedena jen fáze – pokud do vany vhodíme spotřebič, tak má připojený i nulový vodič a vzdálenost mezi oběma póly je jistě nižší, než mezi fází a vanou. Tudíž by jistič spíše vypnul.

Co si vybavuji, tak ve filmech je vhozen typicky fén, okamžitě se zajiskří a vypadnou jističe – v tomto případě bych smrt neočekával.

Celá situace se ještě komplikuje kvůli tzv. ekvipotenciálním hladinám – ve vodě vzniknou místa s rozdílným potenciálem (zjednodušeně napětím) a výsledné napětí je rozdíl potenciálů dvou různých míst. Stejný efekt se uplatňuje u tzv. krokového napětí u např. drátů spadlých na zem.

Pokud bych měl na závěr svou odpověď zjednodušit, tak uvedenému scénáři z filmů nevěřím, ale nezkoušel bych to ;)

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

7

Autor

Jaroslav Koreš

17. 02. 2020

Ohřej si vodu, ať ti zmrzne rychleji …

Vážený pane doktore, v návaznosti na předchozí dotaz prosím o vysvětlení následujícího jevu: Když necháte na mrazu dvě identické nádoby jednu se studenou a druhou s horkou vodou, zamrzne dříve ta horká. Předpokládám, že v tom hraje roli skupenské teplo a rychlejší změna teploty díky odpařování. Údajně se ale podobně chová i voda uzavřená v potrubí (např. topení po vypnutí kotle), která se nemá kam odpařit (pominu-li expanzní nádobu). S přáním hezkého dne Ing. arch. Luboš K.

Dobrý den,

děkuji za pozornost, kterou věnujete naší poradně a za navazující dotaz.

To, co popisujete, se nazývá Mpembův jev. Erasto Mpemba si všiml toho, že v mrazáku zamrzne teplá voda rychleji, než studená. Ale je důležité si uvědomit, že to není pravidlo – tato situace nastává jen někdy, obecně lze říci, že čím větší mrazák, tím spíše k rychlejšímu zrznutí horké vody dojde. Myslím, že důvod, proč se tak voda chová nebyl zatím uspokojivě vysvětlen, stejně tak jako nebyly popsány podmínky, za kterých k tomuto podivnému chování dojde.

Z pohledu fyziky je to podivné – k ochlazení horké vody je zapotřebí odebrat více tepla, než od vody studené. Pokud je „mrazivý“ výkon okolí v obou případech stejný, tak ze vzorce W=P.t (práce/energie je součin výkonu a času) vyplývá, že 2x teplejší voda se bude ochlazovat 2x delší dobu.

Zdá se tedy, že teplota vody má vliv na „mrazivý“ výkon okolí – víme např., že teplená výměna probíhá rychleji při vyšším rozdílu teplot. Horká nádoba se může „protavit“ ledem více k chladícímu zařízení, při „protavení“ je větší část vody se stykem s okolím a tudíž bude tepelná výměna probíhat rychleji, než kdyby byla nádoba jen v chladném vzduchu. Těch vlivů je opravdu hodně, včetně Vámi navrhovaného rychlejšího vypařování horké vody – čím více vody se vypaří, tím menší množství vody musí zmrznout.

V minulosti se jeden náš žák experimentálně potvrdit tento jev – podařilo se mu to jen v pár případech a jasný postup, jak dosáhnout toho, že horká voda zmrzne rychleji nezjistil.

Je to sice zajímavé, že horká voda zmrzne rychleji, ale opět upozorňuji, že jde spíše o výjimku, než pravidlo.

To, že by k jevu došlo v případě vody, uzavřené v potrubí bych nečekal a ani jsem to nikdy nezaregistroval.

Jedná se spíše o experimentální problém – můžete se pokusit zjistit, jaké jsou podmínky pro to, aby Mpembův jev nastal a pak nás o svých zjištěních informovat, mě a myslím, že i naše čtenáře by to zajímalo.

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

2

Autor

Jaroslav Koreš

26. 02. 2020

Prázdnou láhev plnou nenaplníš …

Dobrý den, rád bych se zeptal na následující věc. Mám dvě 8litrové tlakové lahve na CO2. Jedna je plná a druhá je úplně prázdná. Pokud plnou lahev otočím dnem vzhůru a zvednu ji nad úroveň první lahve, propojím a otevřu ventily, zajímá mě zda obsah první lahve (kapalné CO2) přeteče vlastní vahou do prázdné lahve nebo se pouze vyrovnají tlaky a nic se dít nebude. Vzhledem k tomu, že kapalné CO2 má jiné vlastnosti než voda, tak mě zajímá jak se to bude chovat a zda lze tímto způsobem přepustit celý obsah jedné lahve do druhé nebo se přepustí jen část do vyrovnání tlaků ? Díky za odpověď. Pavel V.

Ahoj Pavle,

děkujeme za dotaz do naší poradny, nejsi jediný, kdo podobný problém řeší – před půl rokem jsem stejnou otázku řešil s kamarádem. Ten na problém šel od konce – nejdřív to zkusil a pak zjišťoval, proč to nejde. Takže jsem vlastně odpověděl na tvůj dotaz – nic (výrazného) se dít nebude. Další otázkou je proč tomu tak bude. Kvůli velkému tlaku v obou nádobách dojde k jeho rychlému vyrovnání v obou lahvích. Z plné nádoby kapalný CO2 ubyde, ale ne tak, že by přetekl - vypaří se.

Kapalný CO2 přetékat nebude – jeho průchodu ventilem v lahvi bude bránit tlak, který je v prázdnější lahvi.

Když bychom slepili 2 víčka od PET lahví a udělali do nich tenkou díru, tak si to můžeme i snadno ověřit. Aby přetékání fungovalo, musí docházet k výměně vzduchu s kapalinou – tím, že do prázdné láhve nateče kapalina, zvýší se tlak v lahvi. Proto nebude z místa o nižším tlaku (plná lahev) přetékat kapalina do místa s vyšším tlakem (prázdná nádoba). Aby přetékání fungovalo, musíme umožnit plynu vyměnit si objem s kapalinou. Pokud bude otvor, kterým má kapalina protékat malý, tak se nebude dít nic. Řešením by také byly 2 otvory – jeden pro přitékající kapalinu a jeden pro odcházející plyn. V případě PET lahví můžeme pomoci přelévání vody stlačením plné PETky. Tím zvýšíme tlak v horní nádobě. Kdybychom chtěli něco podobného udělat s nádobami na CO2, museli bychom plnou nádobu zahřát (tím se uvnitř zvětší tlak) a prázdnou nádobu ochladit. Ze stavové rovnice bychom mohli spočítat, jaký to bude mít vliv, ale v dosažitelných (a bezpečných hodnotách) bych výrazné rozdíly nečekal.

Z doslechu vím, že k řešení problému se používají speciální pumpy.

Šlo by také udělat něco podobného, jako na tomto videu: https://www.youtube.com/watch?v=ZlfRKjc6bjo, ale nejsem si jistý, jak by se podařilo roztočit kovové nádoby.

Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D., Střední průmyslová škola strojní a elektrotechnická, Dukelská 13, České Budějovice

5

Autor

Jaroslav Koreš

První
1 .. 8 9 10 11 12 13 14
Poslední

Zadání dotazu

Máte nějaký dotaz?

Pokud se chcete na něco zeptat, napište e-mail s předmětem "Fyzikální poradna" na emailovou adresu

poradna@svetenergie.cz
Skupina ČEZ

Kontaktní informace

Máte-li k obsahu portálu jakékoliv náměty, postřehy či připomínky – prosím kontaktujte nás. Budeme vděční i za připomínky k nekorektnímu zobrazení stránek, či případnému upozornění na chybu. Děkujeme.


email:info@svetenergie.cz

Kontaktní formulář

KONTROLNÍ KÓD

kontrolní kód Opište prosím do políčka formuláře
text z obrázku

Portál Svět energie provozuje společnost ČEZ. Vyrobil Simopt, s.r.o., Copyright © 2016, Všechna práva vyhrazena

detail