Balon to ma klawe życie…

Doświadczenie 1

To właściwie klasyka doświadczeń „balonowych”, ale polecam wykonać to doświadczenie samodzielnie. Widok nadmuchanego balonika przebitego na wylot, mimo to nadal całego, wywołuje uśmiech. Do przeprowadzenia tego eksperymentu potrzebny jest zwykły balonik lateksowy oraz ostro zakończony długi szaszłykowy patyk. Balon nadmuchaj do średnicy trochę mniejszej niż długość posiadanego patyka. Zawiąż szczelnie końcówkę balonu. Następnie wbij patyk ostrym końcem od góry balonu w miejscu pokazanym na rysunku zieloną strzałką. Teraz, operując ostrym końcem patyka wewnątrz balonu, wbij go w miejscu wskazanym przez strzałkę czerwoną, obok ustnika. Gotowe! Oto leży przed nami przebity na wylot, mimo to nadal nadmuchany balon.

Wyjaśnienie: Lateks, z którego wykonana jest powłoka balonu, w trakcie produkcji poddano sieciowaniu. Długie łańcuchy cząstek zostały pod wpływem działania temperatury w obecności siarki połączone tzw. mostkami siarkowymi (wiązania chemiczne) w rodzaj sieci. Jej wytrzymałość jest wystarczająca, by utrzymać ciśnienie gazu w nadmuchanym balonie. Jeżeli jednak uszkodzisz powłokę, za punktowym rozerwaniem „poleci oczko”, jak w pończosze, i sieć pęknie. Przyjrzyj się jednak uważnie powłoce balonu. Nie jest po nadmuchaniu napięta równomiernie. Miejsca wskazane strzałkami są niemal nienaprężone. Jeżeli tam nastąpi uszkodzenie (przebicie), naprężenia graniczne nie zostaną przekroczone i sieć nie ulegnie rozdarciu. Elastyczność powłoki spowoduje obciśnięcie i uszczelnienie jej na obwodzie patyka, co zapobiegnie szybkiej ucieczce gazu.

Doświadczenie 2

Do wnętrza balonu wrzuć sześciokątną nakrętkę stalową lub mosiężną. Nie może być zbyt mała, najlepiej M5– M8. Teraz należy balon bardzo mocno, niemal do granic wytrzymałości powłoki nadmuchać i zawiązać. Chwyć nadmuchany balon płasko, całą dłonią od strony ustnika. Wpraw go w ruch okrężny tak, by nakrętka zaczęła zataczać kręgi na wewnętrznej stronie powłoki. Usłyszysz regularny terkot przechodzący w ciągły ton przy coraz szybszych obrotach balonu. Nawet gdy zatrzymasz nagle balon, nakrętka będzie jeszcze długo toczyła się w jego wnętrzu.

Wyjaśnienie: Powłoka nadmuchanego balonu zachowuje się jak membrana. Wprawiają ją w drgania cykliczne uderzenia krawędzi toczącej się wewnątrz nakrętki. Od jej prędkości postępowej zależy wysokość tonu wytwarzanego przez ten osobliwy instrument. Pewność, że to właśnie kształt nakrętki warunkuje powstanie dźwięku, zyskujemy, powtarzając to doświadczenie z kulką stalową. Drugą osobliwością jest długi czas toczenia się nakrętki po ustaniu ruchu okrężnego balonu. Wydawałoby się, że sześciokątny obiekt toczy się znacznie gorzej niż gładka kula. Jednak elastyczna, napięta powłoka oddaje sporą część energii uderzeń z powrotem nakrętce. Resztę rozprasza w postaci ciepła i dlatego ruch wirowy nakrętki w końcu jednak wygasa.

Doświadczenie 3

Uwaga, doświadczenie z otwartym płomieniem, co wymaga zachowania szczególnej ostrożności! Potrzebne są dwa balony i zapalniczka. Jeden balon nadmuchaj do średnicy około 10 cm, drugi do podobnego rozmiaru napełnij wodą. Oba zawiąż. Zapal płomień zapalniczki. Podstaw go najpierw pod balon nadmuchany, a następnie pod napełniony wodą. Zgodnie z naszym oczekiwaniem i intuicją ten pierwszy pęknie niemal natychmiast. Ale drugi – zawierający wodę – wytrzyma bez uszczerbku nawet kilkuminutowy bezpośredni kontakt z płomieniem. Co więcej, można nawet doprowadzić w nim wodę do wrzenia, a powłoka pozostanie nadal cała.

Wyjaśnienie: Temperatura płomienia w zapalniczce wynosi 500–700°C. To dosyć dużo, lateks zaczyna rozkładać się już w 220°C, nic więc dziwnego, że nadmuchany balon pęka. Wypełniające go powietrze (gaz) jest złym przewodnikiem ciepła, co sprzyja szybkiemu osiągnięciu temperatury rozkładu w miejscu nagrzania. Inaczej jest z wodą. Ma ona bardzo dużą pojemność cieplną i szybko odbiera ciepło. Warstwa wody przylegająca do wnętrza balonu bezpośrednio nad miejscem podgrzania tak intensywnie je chłodzi, że temperatura nie przekracza kilkudziesięciu stopni. To całkowicie wystarczy do zabezpieczenia przed pęknięciem. Nawet wrzątek (100°C) zapewni balonowi doskonałe chłodzenie (!), bo rozkład lateksu następuje dopiero w dwa razy wyższej temperaturze.

Doświadczenie 4

Nadmuchaj dwa balony: pierwszy do średnicy 10–15 cm, drugi do ¾ maksymalnej objętości. Uwaga, nie można mniejszego balonu nadmuchać za dużo, a później upuścić trochę powietrza. Musi być od razu napompowany do właściwego rozmiaru. Końce skręć i zabezpiecz zaciskiem lub klamerką bieliźnianą tak, by można je było łatwo otworzyć. Połącz szczelnie oba balony krótkim odcinkiem plastikowej rurki. Uwolnij z zacisku wylot większego balonu. Nic się nie dzieje, bo przecież mniejszy jest nadal zatkany, a oba przylegają do rurki. Gdy uwolnisz zacisk mniejszego, stanie się coś sprzecznego z intuicją. Powietrze z mniejszego balonu zostanie przetłoczone niemal w całości do większego.

Wyjaśnienie: Kluczem do rozwiązania zagadki „zachłanności” dużego balonu jest rozważenie ciśnień gazu w naszym układzie doświadczalnym. Powłoka dużego balonu w trakcie nadmuchiwania została mocno rozciągnięta. Lateks poddany znacznemu naprężeniu nie wraca dokładnie do poprzedniego kształtu, lecz pozostaje trwale rozciągnięty o 10–20% w stosunku do stanu wyjściowego. Natomiast naprężony nieznacznie nie ulega trwałym zmianom, lecz pracuje niemal doskonale sprężyście. To oznacza, że w większym balonie panuje niższe ciśnienie niż w małym. Wyższe ciśnienie w mniejszym balonie powoduje dopompowanie dużego.

Zasław Adamaszek
Z wykształcenia, pasji i uzależnienia elektronik

***

Zestaw przyrządów i materiałów

baloniki lateksowe (10 szt.), zapalniczka jednorazowa, nakrętka M8, patyk szaszłykowy, rurka plastikowa 10 cm (odpad np. z montażu instalacji elektrycznej)

***

Wiedza w pigułce

Historia baloników przeznaczonych do zabawy jest znacznie dłuższa niż przemysłowe zastosowania lateksu. W Europie rozpowszechniły się w połowie XIX w., chociaż już wcześniej robiono je także okazjonalnie z cienkiej bibuły lub pęcherzy zwierzęcych. Te pierwsze, wytwarzane rzemieślniczymi metodami, miały klejoną powłokę z bibuły czasem impregnowanej lakierem. Mogły nawet przez chwilę unosić się samodzielnie po napełnieniu ciepłym powietrzem. Zazwyczaj mocowano je jednak na sztywnym pręciku. Opracowanie przez J. Ingrama w 1847 r. technologii produkcji balonów lateksowych spowodowało spopularyzowanie takich baloników, jakie były wykorzystane w opisanych doświadczeniach. Szczelny lateks umożliwił też pompowanie balonów helem, dzięki któremu same unoszą się na sznurku. Lata 70. XX w. przyniosły z kolei „mylarową rewolucję”. Folia syntetyczna, mylar, pokryta mikronową warstwą aluminium, pozwala wytwarzać duże balony dla dzieci o wyszukanych kształtach. Są mocniejsze niż lateksowe, znacznie dłużej mogą też utrzymać wewnątrz hel (który stopniowo ulatnia się przez powłokę).

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.