Wynalazki stare jak świat

Doświadczenie 1

Plastikową butelkę o pojemności 0,5 l napełnij wodą. Zanurz gumowy wąż (30– 40 cm) do połowy długości w wodzie. Wolny koniec węża szczelnie nawlecz na strzykawkę (20 ml) i pociągnij tłok, napełniając wąż cieczą. Pozwól temu końcowi zwisać luźno przez wylot butelki (by tworzył pętlę w kształcie odwróconej litery U). Zdejmij strzykawkę.

Wyjaśnienie: Doświadczenie ilustruje mechanizm działania lewara hydraulicznego, znanego od starożytności, a wykorzystywanego i dziś np. przez akwarystów do spuszczania wody ze zbiorników. Woda przepływa do obszaru położonego niżej, ale opadający strumień wytwarza wystarczającą siłę ssącą, by zaciągać nowe jej porcje z naczynia nawet pozornie wbrew grawitacji – przez pętlę.

Doświadczenie 2

Przygotuj 2 plastikowe kubki (najlepiej przezroczyste) i gumowy wąż o średnicy ok. 5 mm i długości 10– 15 cm. Szpikulcem przebij dno obu kubków. Ustaw kubki jeden nad drugim i przewlecz wąż przez oba otwory (w razie potrzeby uszczelnij otwory plasteliną lub uszczelniaczem hydraulicznym – dwuskładnikową masą epoksydową do uzupełniania ubytków). Następnie włóż kubek w kubek. Wąż powinien zagiąć się w pętlę pomiędzy kubkami. Porcjami wlewaj wodę do górnego kubka. Co dzieje się w rurce? Co stanie się, gdy poziom wody w kubku będzie wyższy niż wysokość, na jaką sięga pętla?

Wyjaśnienie: Heron opisał działanie tego kubka, choć już żyjącemu pięć wieków wcześniej Pitagorasowi przypisuje się stosowanie tego wynalazku, by pouczać o konieczności zachowania umiaru – każdy nadmiar cieczy ponad wysokość pętli szybko opróżni całą zawartość kubka. Do dziś na rodzinnej wyspie Pitagorasa Samos sprzedaje się te zabawki wykorzystujące lewar hydrauliczny do opróżniania swej zawartości. Mechanizm ten znalazł zastosowanie także w bardziej użytecznych wynalazkach, np. aparacie Soxhleta, pozwalającym cyklicznie wymywać rozpuszczalnikiem substancje aktywne z materiału roślinnego.

Doświadczenie 3

Przygotuj 2 butelki (najlepiej bidony po napojach izotonicznych z zamknięciem typu pop- up). Pierwszą rozetnij, tworząc z niej lejek. Przewlecz przez niego gumowy wąż o długości 15 cm i uszczelnij plasteliną lub uszczelniaczem hydraulicznym. Na jednym końcu drugiego gumowego węża (o długości 7 cm) zamontuj zakupioną przez internet piszczałkę do zabawek. Wolne końce obu węży przeciśnij przez bidon drugiej butelki i dokładnie uszczelnij. Wlej wodę przez lejek. Czy słyszysz jakiś dźwięk?

Wyjaśnienie: Gdy wlewasz wodę do lejka, spływa ona na dno butelki, zajmując miejsce powietrza, które wydostaje się jedyną możliwą drogą (dlatego ważna jest szczelność urządzenia) – przez krótką rurkę – powodując zarazem wydawanie dźwięków przez piszczałkę. Heron opisał wiele urządzeń wydających dźwięki na skutek przepływu powietrza wymuszonego np. przepływem cieczy. Najsłynniejszym przykładem są organy Herona.

Doświadczenie 4

Dwie butelki połącz gumowym wężem (30–40 cm) tak, by w obu końcówki węży były kilka centymetrów pod szyjką. Dodatkowo w pierwszej butelce zanurz drugi gumowy wąż, tak by jeden koniec sięgał dna butelki, a drugi niemal dotykał blatu na zewnątrz butelki (można przymocować taśmą klejącą). Napełnij tę butelkę zabarwioną na czerwono wodą. Na drugą butelkę nałóż lejek wykonany jak w doświadczeniu 3. Bardzo dokładnie uszczelnij wyloty obu butelek i przestrzeń między wężykami plasteliną lub uszczelniaczem hydraulicznym. Co się stanie, gdy do lejka wlejesz wodę?

Wyjaśnienie: Urządzenie pozwala zmieniać wodę w „wino”. Woda nalana do lejka podobnie jak w doświadczeniu 3. wymusza przepływ powietrza, przepychając je przez wężyk do drugiej butelki. Powietrze to wypycha jednocześnie wodę, która znajduje dla siebie ujście przez drugi wężyk. Pozwala to wypompować niemal tyle „wina”, ile nalano wody przez lejek.

Doświadczenie 5

Zamknij obieg cieczy w układzie z doświadczenia 4. W tym celu butelkę z „winem” ustaw np. na podwyższeniu, tak aby wypływająca ciecz mogła wpływać do lejka.

Wyjaśnienie: Uzyskane urządzenie to słynna fontanna Herona. Będzie ona działać dopóty, dopóki w butelce z lejkiem jest zapas powietrza. Kiedy analizujemy jej działanie, zadziwia poziom jej komplikacji, lecz powstanie tego wynalazku okazuje się logiczną konsekwencją rozbudowywania i łączenia prostszych urządzeń.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Wiedza w pigułce

Innowacyjne wynalazki nie są jedynie domeną współczesności. Niestety, nie sposób oszacować, ile ich zaginęło w mrokach historii, lecz te, które przetrwały próbę czasu, świadczą o pomysłowości ich autorów. Znamy imiona kilku mędrców antycznego świata, m.in. Herona z Aleksandrii, Ktesibiosa, Filona z Bizancjum czy Archimedesa. O istnieniu innych dowiadujemy się pośrednio, np. z zapisków o ulepszeniach czyjegoś wynalazku. Szczególną wagę przykładano wtedy do opracowywania machin wojennych i zegarów. Jednak przypadku Herona z Aleksandrii, genialnego konstruktora z I w., wiele spośród opracowanych przez niego urządzeń związanych jest z piciem wina. Część historyków uważa, że stanowiły one jedynie model do pokazów objaśniających uczniom wybrane zjawiska fizyczne. Inni widzą w tym bardziej prozaiczną przyczynę. Uprawianie nauki i wynalazczość zawsze uzależnione były od pozyskania bogatego sponsora. A bogacze lubili dodawać splendoru swym przyjęciom poprzez prezentację niezwykłych wynalazków – np. naczyń zmieniających wodę w wino lub takich, które wymagały od uczestnika odgadnięcia, jak napić się z niemal zaczarowanej czary skąpiącej swego napitku. Ku uciesze wszystkich gości Heron potrafił zapewnić rozmaite atrakcje. Także świątynie mogły korzystać z jego wynalazków, dodając odprawianym misteriom aury cudowności, której próżno było szukać w codziennym prostym życiu. Słynne są obmyślone przez Herona automatycznie otwierane drzwi, programowalny teatr czy automat dozujący wodę po wrzuceniu monety. Z naszej perspektywy dziwi, że jego słynna bania aeolipile – pierwowzór turbiny parowej, która rozpoczęła XIX- wieczną rewolucję przemysłową – była jedynie zabawką. Lecz w tych czasach tania siła robocza w postaci niewolników (w kartagińskich kopalniach srebra było ich ponoć 40 tys.) wypierała wszelkie wyrafinowane i wyspecjalizowane formy pracy maszynowej.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

3 butelki/bidony z zamknięciem typu pop-up, plastelina lub uszczelniacz hydrauliczny, wąż gumowy ogólnego zastosowania, piszczałka do zabawek, czerwony barwnik spożywczy, plastikowe kubki, taśma klejąca, strzykawka

Niewliczone w cenę: nożyczki, szpikulec, woda

Czas przygotowania: 4 godz.

Koszt: 60 zł