W 1654 roku dwie drużyny po osiem koni na próżno ciągnęły w przeciwne strony dwie miedziane półkule, z których wypompowano powietrze. Ten sam efekt, tyle że na mniejszą skalę, możesz zobaczyć przy kuchennym stole, mając pod ręką dwie zwykłe przyssawki.

Co nam będzie potrzebne?

  • dwie duże gumowe przyssawki (np. do wyciągania wgnieceń lub uchwyty do szyb o średnicy ok. 10 cm)
  • gładka, płaska powierzchnia, np. kafelek, szyba lub lakierowany blat
  • odrobina wody
  • linijka lub miarka
  • łazienkowa waga (opcjonalnie, do oszacowania siły)
  • kalkulator

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Umyj obie przyssawki i zwilż ich krawędzie wodą. Sucha guma przy brzegu nigdy nie przylega idealnie, a nawet maleńka szczelina pozwala powietrzu wciekać do środka i niweczy cały efekt.

Krok 2: Połóż jedną przyssawkę na gładkiej powierzchni, wgłębieniem do dołu, i mocno dociśnij dłonią do środka. Poczujesz, że powietrze ucieka spod krawędzi. Po puszczeniu przyssawka zostaje przyklejona i trzeba użyć wyraźnej siły, żeby ją oderwać.

Krok 3: Teraz zbliż do siebie dwie przyssawki wgłębieniami do siebie, zwilżonymi brzegami, i dociśnij je mocno jedną do drugiej, tak by wypchnąć powietrze. Chwyć za uchwyty i spróbuj je rozdzielić, ciągnąc w przeciwne strony. Jeśli możesz, poproś o pomoc drugą osobę, żeby każda ciągnęła jedną przyssawkę.

Krok 4: Zmierz średnicę wgłębienia przyssawki, w której utworzyła się próżnia, i zapisz ją w metrach. Przyda się do obliczenia teoretycznej siły, z jaką ciśnienie atmosferyczne dociska przyssawki do siebie. Żeby sprawdzić wynik w praktyce, przyklej przyssawkę do szyby, zaczep o nią worek i powoli dolewaj do niego wodę, aż przyssawka odpadnie; ciężar worka zmierzysz wagą.

Krok 5: Na koniec delikatnie odchyl krawędź jednej przyssawki paznokciem. Usłyszysz syk wpadającego powietrza i przyssawki rozdzielą się bez najmniejszego wysiłku. To najlepszy dowód, że nie trzyma ich żaden „klej”, tylko różnica ciśnień.

Wyjaśnienie naukowe

Na poziomie morza powietrze wywiera ciśnienie około 101 300 paskali, czyli ponad 10 ton na każdy metr kwadratowy. Zwykle nie czujemy tego, bo ciśnienie działa ze wszystkich stron jednocześnie, a nasze ciało jest wypełnione cieczami i gazami o takim samym ciśnieniu. Gdy dociskasz przyssawkę, wypychasz spod niej większość powietrza. W środku ciśnienie spada wyraźnie poniżej atmosferycznego, a z zewnątrz nadal działa pełne ciśnienie atmosfery. Różnica tych ciśnień daje siłę przyciskającą przyssawki do siebie.

Siłę można policzyć ze wzoru F = Δp · S. Dla przyssawki o średnicy 10 cm pole powierzchni wynosi ok. 0,0079 m². Gdyby w środku powstała idealna próżnia, siła wyniosłaby około 800 niutonów, czyli tyle co ciężar osiemdziesięciu kilogramów — mniej więcej dorosłego człowieka. W praktyce guma nigdy nie usuwa całego powietrza, więc wynik jest niższy, ale i tak zaskakująco duży. Im większa średnica, tym większa siła, bo rośnie ona z kwadratem promienia: przyssawka dwa razy szersza trzyma cztery razy mocniej.

Pokaz w Magdeburgu przeprowadził Otto von Guericke, burmistrz miasta i wynalazca pompy próżniowej. Jego półkule miały około 50 cm średnicy, więc teoretyczna siła docisku sięgała około 20 000 niutonów, czyli ciężaru około dwóch ton. Eksperyment, powtarzany później przed cesarzem i naukowcami, przekonał ówczesny świat, że powietrze ma ciężar i że próżnia istnieje, co wielu uczonych jeszcze wtedy kwestionowało. Do dziś zasada ta działa w chwytakach próżniowych, które podnoszą szyby i blachy w fabrykach, w przyssawkach chirurgicznych oraz w pompach próżniowych używanych w laboratoriach.

Warto też pamiętać, że przyssawki w tym doświadczeniu nie działają „na zasadzie ssania”. To nie próżnia przyciąga przedmioty, lecz otaczające powietrze je dociska. Dlatego przyssawka przestaje trzymać, gdy tylko do wnętrza dostanie się powietrze, a w kosmosie, gdzie nie ma atmosfery, zwykła przyssawka w ogóle by nie działała. Podobny mechanizm opisuje nasz artykuł o odwróconej szklance , w której to ciśnienie powietrza podtrzymuje wodę.

Warianty

Przyssawki na różnych powierzchniach. Przyklej przyssawkę kolejno do szkła, kafelka, lakierowanego drewna i surowej deski. Zmierz, jaki ciężar każda z nich utrzyma. Na chropowatych powierzchniach przyssawka puszcza szybciej, bo powietrze przedostaje się przez nierówności, a odrobina oleju lub wody poprawia przyleganie.

Dwa talerze i mokry papier. Połóż dwa gładkie plastikowe talerzyki jeden na drugim ze zwilżonym kawałkiem ręcznika papierowego pomiędzy nimi, dociśnij i spróbuj je rozdzielić. Przekonasz się, że cienka warstwa wody uszczelnia połączenie, więc talerze trzymają zaskakująco mocno.

Test z ciśnieniem mierzonym lokalnie. Zbuduj barometr ze słoika i balonu i sprawdź, jak zmieniające się ciśnienie atmosferyczne wpływa na siłę potrzebną do oderwania przyssawki. Różnice są niewielkie, ale zestawienie obu doświadczeń dobrze pokazuje, skąd bierze się siła docisku.

Często zadawane pytania

Dlaczego przyssawki trzymają się na szybie, ale odpadają po kilku godzinach? Guma nigdy nie jest idealnie szczelna, więc powietrze bardzo powoli wnika pod jej krawędź. Z czasem ciśnienie pod przyssawką rośnie i zbliża się do ciśnienia atmosferycznego, a siła docisku maleje. Gdy spadnie poniżej ciężaru przedmiotu, przyssawka odpada. Dlatego uchwyty w samochodach mają dźwignie, które co jakiś czas trzeba „doładować”.

Czy w próżni przyssawki trzymałyby jeszcze mocniej? Nie, w próżni przyssawka w ogóle by nie działała. Siła docisku bierze się z różnicy między ciśnieniem otoczenia a ciśnieniem pod przyssawką. Jeśli ciśnienie otoczenia wynosi zero, to nie ma czego „wypchnąć” ani przeciwko czemu pracować. Dlatego na Księżycu przyssawka nie utrzymałaby nawet lekkiej plastikowej figurki.

Czy dałoby się rozdzielić prawdziwe półkule magdeburskie bez zaworu? Teoretycznie tak, ale wymagałoby to siły odpowiadającej ciężarowi około dwóch ton, czyli wielu koni lub bardzo mocnej maszyny. Historyczne relacje mówią o szesnastu koniach, które nie dały rady ich rozerwać. Dopiero otwarcie zaworu i wpuszczenie powietrza sprawiało, że półkule opadały same. To właśnie to zestawienie siły ośmiu koni z jednym obrotem kranika tak mocno przemawiało do wyobraźni widzów.