Co váží víc, kilo peří nebo kilo železa?
Soudružku učitelku jsem prostě nepřesvědčil. Kilo je kilo a basta. Přes to vlak nejede. Potíž je v tom, že o tom jsem se s ní nepřel. Nikdy bych se nepustil do křížku s informačně bezobsažnou tautologií kladoucí ekvivalenci mezi dva shodné pojmy. Uznávám, že kilo je kilo, stejně tak jako si stojím za tím, že Kolín je Kolín nebo že prodloužená mícha velblouda je prodloužená mícha velblouda.
Hádanka však zněla jinak. Neptala se přece na hmotnost peří a železa, nýbrž na to, co váží víc. Na kterou stranu se převáží jazýček vah, když na misky položím peří a železo. Na celou věc bych zapomněl, kdybych náhodou neotevřel učebnici fyziky pro šesté třídy. Učebnice spíš jen seznamuje děti s tím, co to vlastně ta fyzika je a jak k ní přistupovat. Tuto hádanku si tam položili také. Byla v poněkud jiné formě. Autorům přišlo peří málo vědecké, proto místo něj použili polystyrén. Také se neptali, co váží víc, nýbrž co je těžší. Snad by se dalo uvažovat, zda jsou tyto pojmy vždy stejné, ale následoval názorný obrázek s vahami, který mne nenechal na pochybách, co chtějí slyšet.
Z následujícího textu však vyplynulo, co slyšet nechtějí. Nechtějí slyšet, jak je to doopravdy. Ještě než se pustíme do rozboru fyzikálního problému, prozradíme, jaké řešení navrhujeme. Problém je pro děti seznamující se s fyzikou příliš komplikovaný. Zjednodušené řešení tvrdící, že obojí váží stejně, zavrhujeme. Jak ještě ukážeme, neplatí ani přibližně. Popisovat okolnosti, za kterých to platí, zase problém rozmazávají. Hádanka prostě do učebnice fyziky nepatří, nebo by se měla předložit, až se bude probírat příslušné téma.
A jak to tedy je? Problém je v tom, že váhy neměří hmotnost, ale sílu, kterou na ně vážený předmět působí. Tato síla je složena z mnoha dalších sil. V prvé řadě je to samozřejmě gravitační síla, která jediná odpovídá hmotnosti jednoznačně. Další síla korespondující s hmotností je odstředivá síla způsobená rotací Země, ale ta už je závislá také na zeměpisné šířce. Nicméně se dá prohlásit, že polystyrén i železo měříme v témže místě a vliv odstředivé síly by měl být na obě tělesa stejný.
Je tu však ještě jedna síla. Působí proti gravitační síle a vůbec nezávisí na hmotnosti tělesa, nýbrž na jeho objemu. Je to síla vztlaková. Uvědomujeme si ji velice dobře, když například plaveme. Jen díky ní jsme schopni se bez námahy udržet vysoko nad dnem. Její velikost vyčísluje Archimédův zákon.
Vážený polystyrén samozřejmě nenadlehčuje voda, ale vzduch. Vzduch je asi osm set krát lehčí než voda, takže nenadlehčuje tolik. Přesto tu vliv je a tím větší, čím menší hustotu má vážený předmět.
Za běžných pozorovacích podmínek, za pokojové teploty a hlavně při normálním atmosférickém tlaku, tedy když pokus uspořádáme tak, jak je v učebnici prezentován, se nám jazýček vah vychýlí ve prospěch železa. Kilogram železa ukáže na vahách hodnotu skoro přesně 1kg, ale kilogram polystyrénu o 35-120g méně (záleží na typu polystyrénu). V každém případě je to nezanedbatelná hodnota snadno měřitelná i v domácích podmínkách.
Pokud bychom si chtěli doma předchozí tvrzení ověřit, narazíme na metodologický problém. Kde odměřit kilogram polystyrénu. Když to zkusíme na běžné váze, budeme mít ve skutečnosti kus polystyrénu o hmotnosti větší než jeden kilogram. Dá se tedy vůbec vztlaková síla vzduchu eliminovat jinak, než výpočtem?
Samozřejmé řešení nás napadne asi okamžitě. Provést měření ve vakuu. To je asi nejčistší, jenomže obtížně realizovatelné doma na koleně. Možná by bylo snazší uzavřít se v nějaké místnosti s dobře těsnícími dveřmi, kompresorem tlak alespoň trochu měnit, zakreslovat údaje do grafu a pak extrapolovat, jaké hodnoty bychom naměřili ve vakuu.
Nebo na to můžeme jít úplně jinak. Můžeme zkoumat setrvačné účinky hmoty. Krytý vozík naložený polystyrénem bude brzdit stejně obtížně, jako když je naložený železem o stejné hmotnosti. To je právě tím, že setrvačné síly jsou úměrné skutečně jen hmotnosti.
Uspořádat pokus s vozíkem není úplně triviální. Setrvačné účinky hmoty lze studovat i jinak, například na pružině. Tímto způsobem se dá vážit i v beztížném stavu. Závaží se nechá kmitat a měří se perioda kmitů. Závislost není sice lineární, ale dá se říci, že čím delší je perioda, tím má závaží větší hmotnost. Vhodnou volbou pružiny dosáhneme takových kmitů, při kterých lze odpor vzduchu zanedbat.
Až vám tedy někdo dá kilo peří a kilo železa, nechte je rozkmitat na dvou stejných pružinách. Uvidíte, že se vůči sobě rozjedou.
Dana a Rudolf Mentzlovi
Za meteorologickými družicemi
Družice pozorují Zemi z vesmíru už po desítky let. Jejich snímky se staly běžnou součástí předpovědí počasí. Jak pracují a co umí změřit? Jak přispívají ke studiu klimatu?
Dana a Rudolf Mentzlovi
Holandsko proti moři
Po staletí Holandsko čelí záplavám z moře a opět si vydobývá své území. Ani v dnešní době práce nepřestává.
Dana a Rudolf Mentzlovi
Za jadernou fúzí k Baltskému moři
Už desítky let se ozývají zprávy o termojaderné fúzi jako zdroji energie pro budoucnost. Jak pokračují výzkumy a čím se liší tokamak a stelarátor?
Dana a Rudolf Mentzlovi
Hledání druhé Země
Po nedávném objevu hnědého trpaslíka neusnula ondřejovská skupina výzkumu exoplanet na vavřínech. Bude se podílet na vyhledávání Superzemí. Rozhovor s hlavním řešitelem.
Dana a Rudolf Mentzlovi
Světlo z hloubi vesmíru
Hvězdáři z Ondřejova objevili hnědého trpaslíka ve vzdálené soustavě v souhvězdí Raka; tuto zprávu sdělila média minulý měsíc. Rozhovor s objeviteli.
Další články autora |
Nahá umělkyně za zvuků techna házela před dětmi hlínou. Už to řeší policie
Policie prošetřuje vystoupení, ke kterému došlo na Akademii výtvarných umění (AVU). Umělkyně a...
Stovky amerických obrněnců se v řádu dnů nepozorovaně přemístily do Česka
Několik set vozidel americké armády včetně obrněnců Bradley nebo transportérů M113 se objevilo ve...
Přes Česko přešly bouřky s krupobitím. Dálnici D1 pokrylo bahno a větve
Do Česka přišly přívalové deště, na některých místech padaly i kroupy. Hasiči hlásili desítky...
Německo je otřeseno. Přišel brutální útok na politika, pak následoval další
Na lídra kandidátky německé sociální demokracie (SPD) v Sasku do evropských voleb Matthiase Eckeho...
Vyváděla strašné věci. Zahradil označil Jourovou za nejhorší z eurokomisařů
Premium Když Česko vstoupilo 1. května do Evropské unie, byl tam matador ODS Jan Zahradil kooptován...
Kácíš? Pak sázej či plať. Novela zákona zpřísní podmínky kácení stromů
Premium Pokuta až milion pro jednotlivce, až dvacet milionů pro firmu. Tedy desetkrát víc než nyní. Takové...
Padlého rudoarmějce oplakali u Rudolfina. Jenže ho zabili sami Sověti
Seriál Je to snad nejslavnější fotografie z květnového osvobození Prahy a dlouho se věřilo, že Georgij...
Princezna z Kremlu. Touha po diamantech se stala Brežněvově dceři osudnou
Premium Letos uplynulo 95 let od narození Galiny Leonidovny, dcery sovětského generálního tajemníka Leonida...
U Strakonic se srazilo šest aut. Silnici na Písek zavřeli, zasahoval i vrtulník
Na silnici I/4 u Strakonic se stala hromadná nehoda. Podle informací hasičů se srazilo šest aut,...
Jak předejít syndromu náhlého úmrtí kojence?
Syndrom náhlého úmrtí kojence (SIDS – sudden infant death syndrome) je doslova noční můrou všech rodičů. V současné době lze tomuto zbytečnému...
- Počet článků 135
- Celková karma 0
- Průměrná čtenost 728x