Prawo Pascala

Zestaw do demonstracji prawa Pascala i innych zjawisk hydrostatycznych

Paulina Jagodzińska

Myślą przewodnią skonstruowania zestawu była prostota jego budowy i dostępność użytych elementów. Każdy nauczyciel może samodzielnie wykonać taki zestaw, jeśli nie dysponuje zestawem fabrycznym. Podstawowym elementem zestawu jest manometr wraz z sondą do pomiaru ciśnienia. Możliwości zastosowania manometru wykraczają znacznie poza zasygnalizowane w temacie (jak np. przemiany gazowe, promieniowanie cieplne, termoskopia, dynamika płynów i inne). Ponadto w skład zestawu wchodzą różnego typu nurki Kartezjusza oraz proste naczynia z butelek plastykowych, których przezroczystość, sprężystość i szczelność zakrętek to zalety w proponowanych zastosowaniach.

rys. 1 – manometr: 1 zbiornik manometru, 2 zabarwiona woda, 3 ramię manometru, 4 skala, 5 zbiornik zabezpieczający, miejsca mocowania, płyta styropianowa, 8 statyw.

Zestaw można skonstruować w oparciu o tanie i dostępne w sprzedaży elementy i materiały, jak strzykawki jednorazowe, lejki plastykowe czy przezroczysty wąż z tworzywa. Manometr składa się z dwu zbiorników zrobionych ze strzykawek, połączonych ze sobą odpowiednio uformowanym wężem, tworzącym prawie poziome ramię (rys. 1). Odpowiednim nachyleniem ramienia można uzyskać żądaną czułość przyrządu, bowiem niewielkie zmiany wysokości cieczy w naczyniu powodują znaczne przesunięcie słupa cieczy w ramieniu manometru. Wszystkie elementy przymocowano do prostokątnej płyty ze styropianu. Połączenia zbiorników z wężem winny zapewniać szczelność. Gdy przekrój węża jest nieco większy od końcówek zbiorników, to można pogrubić końcówki taśmą samoprzylepną lub kawałkiem innego węża. Zbiornik (1) powstał przez doklejenie klejem silikonowym do jednej strzykawki odciętego końca drugiej strzykawki o takim samym przekroju. Cieczą wypełniającą manometr jest woda zabarwiona atramentem. Urządzenie można łatwo zamontować na statywie lub, stawiać bezpośrednio na stole demonstracyjnym.

rys. 2 – sonda do pomiaru ciśnienia: 1 wąż łączący z manometrem, 2 plastykowa rurka z przegubem, 3 przegub, 4 pętla, 5 lejek, 6 pierścień z węża podtrzymujący mocowanie membrany, 7 gumka mocująca membranę, 8 membrana.

Drugim istotnym elementem zestawu jest sonda do pomiaru ciśnienia (rys. 2). Na małym plastykowym lejku rozpięta jest membrana z balonika. Odcięta szyjka balonika dobrze nadaje się na gumkę mocującą i napinającą membranę. Kształt lejka utrudnia mocowanie membrany dlatego poniżej brzegu lejka przyklejono pierścień z węża (6) zapobiegający zsuwaniu się gumki. Aby uzyskać możliwość penetracji naczyń o niewielkich przekrojach, jakie wchodzą w skład zestawu, można przyciąć wlew lejka. Doświadczalnie można znaleźć odpowiednie wymiary sondy, mając na uwadze fakt, ze zmniejszanie przekroju lejka pogarsza czułość sondy. W wylocie (lub na wylocie) lejka osadzamy koniec węża łączącego sondę z manometrem. Uszczelniamy go i mocujemy klejem silikonowym lub gumowym. Dobrze jestprzysondową część węża usztywnić (w prezentowanym zestawie wykorzystano plastykową słomkę do napojów (2), posiadającą przydatny przegub) dla lepszej możliwości poruszania sondą. Zastosowany w sondzie przegub (3) oraz pętla (4) ułatwiają zginanie sondy, co umożliwia badanie ciśnienia w różnych kierunkach.

Istotnym uzupełnieniem zestawu są nurki Kartezjusza (rys. 3). Przy ich pomocy można w ciekawy sposób wprowadzić pojęcia związane z siłą wyporu i pływaniem ciał.

rys. 3 – nurki Kartezjusza: 1 styropianowy obciążony śrubą z nakrętkami, 2 ze strzykawki, z możliwością regulacji wyporu wysunięciem tłoka.

Najprostszym materiałem do wykonania nurka jest miękki, gruboziarnisty styropian, który dzięki swojej konsystencji reaguje na niewielkie zmiany ciśnienia wyraźną zmianą objętości. Odpowiednio przycięty kawałek styropianu obciążony śrubą można precyzyjnie wyważyć, nakręcając określoną ilość nakrętek (1) tak, aby pływał niemal całkowicie zanurzony przy powierzchni wody. Tak wykonany nurek reaguje na zmiany ciśnienia rozchodzące się w wodzie zanurzeniem odpowiednim do ciśnienia. Nurek Kartezjusza może być także wykonany z cienkiej strzykawki jednorazowej (2). Wylot strzykawki należy zakleić lub zatopić na gorąco, w tłoku natomiast należy wyciąć otwory umożliwiające dostęp wody do wnętrza nurka. Tak zmodyfikowana strzykawka, po odpowiednim obciążeniu końca tłoka (np. plasteliną) pływa zanurzona przy powierzchni wody i reaguje na zmiany ciśnienia odpowiednim zanurzaniem. Zmodyfikowany tłok pozostawiony w strzykawce pełni istotną funkcję. Przesuwanie tłoka zmienia ilość powietrza mogącego wypełnić zbiornik nurka, co wpływa bezpośrednio na zmianę siły wyporu jakiej podlega nurek. Zaletą takiej konstrukcji jest możliwość ostatecznego wyważenia nurka przesuwaniem tłoka. Pozostawiając w nurku tłok bez opisanych modyfikacji i obciążając go tak, by skala strzykawki częściowo wystawała ponad powierzchnię cieczy, uzyskuje się model areometru.

Uwagi końcowe:

Wspomniane we wstępie szerokie zastosowanie manometru można zilustrować kilkoma przykładami. Manometr może być wykorzystany jako termoskop, gdy zamiast sondy podłączy się do niego szklaną bańkę o niewielkiej objętości. Wskazania manometru proporcjonalne do zmian objętości powietrza w bańce mogą określać zmiany temperatury, jakim poddawana będzie bańka. Jednocześnie samo zjawisko jest przykładem przemiany izobarycznej. Badając promieniowanie cieplne można modyfikować szklaną bańkę, pokrywając jej powierzchnię substancjami o różnych współczynnikach pochłaniania promieniowania cieplnego, od odbijających, np. folia aluminiowa (folia kuchenna), do pochłaniających, np. sadza (poprzez okopcenie nad płomieniem świecy).

Omawiany zestaw, z uwagi na swoją prostotę, może być zaproponowany uczniom do samodzielnego wykonania. Za jego pomocą uczniowie będą mogli badać i poznawać prawa hydrostatyki. Konstruowanie zestawu i jego zastosowanie w realizacji powyższego zagadnienia może być elementem metody projektów w nauczaniu fizyki.

Dziękuję Panu Mgr Bronisławowi Tokarowi za wskazanie pomysłu i cenne uwagi podczas realizacji pracy.