Tęcza w szklance

Kolorowe warstwy płynu ułożone jedna na drugiej – i żadna z nich się nie miesza. Sekret tkwi w tym, że nie wszystkie ciecze są jednakowo ciężkie.

Co nam będzie potrzebne?

• wysoka, przezroczysta szklanka lub słoik (pojemność min. 300 ml)
• cukier
• woda (ok. 250 ml łącznie)
• barwniki spożywcze w 4 różnych kolorach (np. czerwony, żółty, zielony, niebieski)
• 4 małe szklanki lub kubki
• łyżeczka
• strzykawka lekarska (10 ml) lub łyżka stołowa do powolnego wlewania

Jak wykonać doświadczenie?

Zacznij od przygotowania czterech roztworów cukru o różnym stężeniu. W każdym z czterech kubków odmierz po 50 ml wody: do pierwszego wsyp 1 łyżeczkę cukru i zabarw na czerwono. Do drugiego wsyp 2 łyżeczki cukru i zabarw na żółto. Do trzeciego 3 łyżeczki – zabarw na zielono. Do czwartego 4 łyżeczki – zabarw na niebiesko. Mieszaj każdy roztwór starannie, aż nie zostanie żadnych kryształków cukru – nierozpuszczone cząstki mogą zaburzać granice między warstwami.

Ustaw wysoką szklankę na stabilnym podłożu. Zacznij od warstwy najcięższej: wlej do szklanki roztwór z największą ilością cukru (niebieski, 4 łyżeczki). To będzie spód tęczy.

Teraz dodaj kolejną warstwę – zieloną (3 łyżeczki). Przytknij strzykawkę lub grzbiet łyżki do wewnętrznej ścianki szklanki, tuż nad powierzchnią niebieskiej warstwy, i wlewaj bardzo powoli, dosłownie kroplę po kropli. Im wolniej tym lepiej. Możesz też delikatnie przechylić szklankę pod kątem 45° i wlewać wzdłuż pochyłej ścianki – to bardzo pomaga utrzymać warstwy oddzielone.

Powtórz to samo z żółtym (2 łyżeczki), a na końcu z czerwonym (1 łyżeczka) – każdy wlewaj powoli po ściance. Po chwili przed tobą stoją cztery wyraźne, kolorowe warstwy, jak tęcza w szklance.

Wskazówka: Im chłodniejsza woda, tym wyraźniejsze granice między warstwami – cukier wolniej dyfunduje w zimnej wodzie.

Wyjaśnienie naukowe

Roztwór cukrowy jest gęstszy od czystej wody – w tej samej objętości mieści się więcej cząsteczek, więc waży więcej. Im więcej cukru, tym większa gęstość roztworu. Gęstsze ciecze opadają na dno, lżejsze unoszą się na górze – dokładnie tak samo jak oliwa pływa na wodzie, albo jak ciepłe powietrze unosi się pod sufit.

Gdy ostrożnie wlewasz kolejne warstwy po ściance, siła grawitacji utrzymuje je na właściwych miejscach: cięższa warstwa nie ma powodu wspiąć się wyżej, a lżejsza nie może opaść przez gęstszą. Warstwy będą trwać, dopóki nie zostaną zamieszane lub dopóki dyfuzja nie wyrówna stężeń – co w spokojnej wodzie w temperaturze pokojowej zajmuje od kilku do kilkunastu godzin.

Warto podkreślić, że ta “tęcza” to układ warstw różnych barwników — zupełnie co innego niż prawdziwe widmo światła. Jeśli chcesz zobaczyć, jak białe światło rozkłada się na składowe barwy, zbuduj spektroskop z płyty CD — tam każde źródło światła ujawnia swój unikalny zestaw barw dzięki dyfrakcji.

Tę samą zasadę stratyfikacji gęstości wykorzystuje natura: w jeziorach i oceanach zimna, słona (i przez to gęstsza) woda zalega na dnie, a ciepła i słodka (lżejsza) unosi się przy powierzchni. To zjawisko nazywa się stratyfikacją termiczną i ma ogromne znaczenie dla życia wodnego – ciepła warstwa powierzchniowa jest bogata w tlen i fitoplankton, głęboka warstwa zimna – uboga. Dokładnie ten sam efekt decyduje o tym, że kawałek lodu unosi się na wodzie (lód jest lżejszy niż woda) czy że morze Martwe utrzymuje człowieka na powierzchni (jest tak słone i gęste, że ludzkie ciało po prostu pływa).

Warianty

Pięć lub sześć warstw – dodaj kolejne stężenia cukru (5 i 6 łyżeczek) i więcej kolorów. Tęcza staje się bardziej imponująca. Przy sześciu warstwach różnica gęstości między sąsiednimi warstwami jest mniejsza – wlewaj jeszcze wolniej i cierpliwiej.

Tęcza z różnych cieczy – zamiast różnych stężeń cukru, użyj naturalnie różnych gęstości: miód, syrop glukozowy, mydło w płynie, woda, olej roślinny. Każda z tych cieczy ma inną gęstość i nie miesza się z innymi. Miód idzie na sam dół, olej zostaje na górze. Nie wymaga barwników – ciecze mają własne kolory.

Zmieszanie tęczy – gdy już podziwiasz warstwy, włóż słomkę do środka i delikatnie zamieszaj. Obserwuj, jak kolory się mieszają i tworzą jeden szarobrązowy kolor – to dowód, że barwniki się wymieszały, a stężenia cukru wyrównały.

Często zadawane pytania

Dlaczego warstwy się mieszają, zanim zdążę je wszystkie wlać? Najczęstsza przyczyna to za szybkie wlewanie. Nawet delikatny prąd cieczy wpadający z góry zaburza granicę między warstwami. Użyj strzykawki i wlewaj dosłownie kroplę po kropli, kierując strumień wzdłuż ścianki – tak żeby ciecz “spływała” po ściance, a nie “wpadała” do warstwy niżej.

Jak długo warstwy będą trwać? Przy spokojnym otoczeniu i niskiej temperaturze – od kilku do kilkunastu godzin. W wyższej temperaturze dyfuzja jest szybsza i warstwy zacierają się szybciej. Widoczne granice utrzymują się zwykle przez 3–6 godzin.

Czy to zadziała z miodem lub syropem zamiast cukru? Miód i syropy są naturalnie gęstsze niż woda i tworzą dolną warstwę bez dodawania cukru. Możesz użyć miodu jako najcięższej warstwy (bez barwnika – miód jest już złoty), a nad nim układać warstwy cukrowe o rosnącym rozcieńczeniu. Efekt jest bardzo widowiskowy i aromatyczny.