Mały “nurek” ze słomki opada i wypływa na polecenie – bez żadnych mechanizmów, tylko przez ściskanie butelki.
Co nam będzie potrzebne?
- plastikowa butelka z nakrętką (0,5 lub 1 litr)
- słomka do napojów
- spinacz biurowy
- plastelina lub kawałek gumy
- woda
- nożyczki
Jak wykonać doświadczenie?
Zacznij od zbudowania nurka. Odetnij słomkę na długość 5–6 cm. Zatkaj jeden koniec kawałkiem plasteliny – niezbyt grubą warstwą, żeby plastelina nie blokowała całkowicie wnętrza słomki. Drugi koniec zostaw otwarty – będzie “oddychać” pod wodą.
Przyłącz spinacz biurowy do słomki jako balast: zegnij jeden koniec spinacza w haczyk i zawiń go wokół słomki blisko zatkniętego końca.
Przetestuj nurka w szklance z wodą: wrzuć go do wody otwartym końcem ku dołowi. Nurek powinien unosić się przy powierzchni z delikatnym przechyłem – co oznacza, że ma kieszonkę powietrza w środku i jest na granicy tonięcia i pływania. Jeśli nurek tonie od razu – wyjmij trochę plasteliny lub zmniejsz spinacz. Jeśli unosi się zbyt wysoko i pewnie, za daleko od powierzchni – dodaj więcej plasteliny lub większy spinacz. Właściwe wyważenie to klucz do sukcesu eksperymentu: nurek powinien ledwo pływać, a nie swobodnie unosić się wysoko.
Napełnij butelkę wodą dosłownie po sam wylot szyjki – bez żadnej wolnej przestrzeni powietrznej wewnątrz. Wrzuć wyrównanego nurka do butelki. Mocno zakręć nakrętką.
Ściskaj butelkę obiema dłońmi – nurek zacznie opadać. Puść – wypływa. Im mocniej ściskasz, tym szybciej opada. Możesz go zatrzymać na dowolnej głębokości, regulując siłę ścisku.
Wyjaśnienie naukowe
W tym eksperymencie działają równocześnie dwa prawa fizyki: prawo Pascala i zasada Archimedesa.
W słomce zamknięta jest kieszonka powietrza. Gdy ściskasz butelkę, zwiększasz ciśnienie wewnątrz cieczy. Zgodnie z prawem Pascala: ciśnienie przyłożone do zamkniętej cieczy rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach. Wzrost ciśnienia powoduje, że woda wtłacza się w otwarty koniec słomki i sprężą powietrze wewnątrz – jego objętość maleje.
Według zasady Archimedesa: siła wyporu działająca na ciało zanurzone w cieczy jest równa ciężarowi wypartej cieczy. Im mniejsza objętość powietrza w słomce, tym mniej cieczy nurek wypiera – a więc siła wyporu maleje.
Gdy siła wyporu spada poniżej ciężaru nurka (słomka + spinacz + plastelina + woda, która zdążyła wejść do środka), grawitacja “wygrywa” i nurek opada. Gdy puszczasz butelkę, ciśnienie wraca do normy, powietrze w słomce rozszerza się ponownie, siła wyporu rośnie i nurek wypływa.
Możesz zatrzymać nurka na dowolnej głębokości, bo układ działa płynnie – każdy stopień ściśnięcia odpowiada określonej objętości powietrza w słomce i określonej sile wyporu. Możesz to precyzyjnie regulować dłońmi.
Zabawkę tę opisał René Descartes (Kartezjusz) w XVII wieku jako demonstrację praw hydrauliki – stąd nazwa “nurek Kartezjusza”.
Warianty
Nurek z saszetki ketchupu – zamiast słomki użyj miniaturowej saszetki ketchupu lub sosu sojowego (takich jak w McDonald’s lub sieci azjatyckich). Mają one dokładnie tyle powietrza, żeby działać jako nurek. Wrzuć saszetkę do butelki wypełnionej wodą i zakręć.
Dwa nurki jednocześnie – wrzuć do butelki dwa nurki różnie wyważone (jeden nieco cięższy). Jeden będzie opadał przy słabym ściśnięciu, drugi – przy mocniejszym. Możesz nimi sterować niezależnie, regulując siłę ścisku.
Test temperatury – nurek Kartezjusza jest czuły na temperaturę: ciepła woda jest mniej gęsta i daje mniejszą siłę wyporu. Ogrzej butelkę dłońmi lub zanurz na chwilę w ciepłej wodzie – nurek może opaść bez ściskania. Ochłodzenie (wstaw butelkę do zimnej wody) sprawi, że woda zgęstnieje i nurek wypłynie.
Często zadawane pytania
Dlaczego butelka musi być pełna bez pęcherzyków powietrza? Gdyby w butelce było powietrze, ściskanie butelki sprężałoby najpierw ten wolny gaz, a nie tłoczyło wody do nurka. Ciśnienie wzrastałoby wolniej i efekt byłby słabszy lub żaden. Pełna woda jest praktycznie nieściśliwa – całe ściskanie przekłada się bezpośrednio na ciśnienie, które dociera do nurka.
Jak precyzyjnie wyważyć nurka? Wrzuć nurka do szklanki z wodą i obserwuj: powinien unosić się poziomo przy samej powierzchni, z minimalną ilością wystającą ponad wodę. Zbyt dużo wystaje – dodaj ciężaru (więcej plasteliny lub spinacz). Zbyt mało lub w ogóle nie wypływa – zdejmij ciężar. Dobrze wyważony nurek jest “na granicy” i reaguje nawet na minimalne zmiany ciśnienia.
Czy to zadziała z inną cieczą niż woda? Tak, ale różne ciecze mają różną gęstość i ściśliwość, co wpłynie na zachowanie nurka. W słonej wodzie (gęstszej) nurek będzie lepiej pływał – może wymagać więcej balastu. W oleju roślinnym efekt będzie słabszy, bo olej ma wyraźnie inną ściśliwość niż woda.