Kiedy woda płynie w górę?

Doświadczenie 1

Do szklanej butelki po napoju owocowym wsyp łyżeczkę brokatu jadalnego i kilka kropel płynu do mycia naczyń. Zalej 200–300 ml wody i rozmieszaj. Poczekaj, aż brokat opadnie na dno. Alternatywnie wykorzystaj gotowe napoje z jadalnym brokatem. Do litrowego słoja wlej wrzątek na wysokość 2–4 cm. Wstaw do wnętrza słoika butelkę z brokatem i obserwuj jego ruchy.

Wyjaśnienie: Doświadczenie dobrze ilustruje zjawisko konwekcji – przekazywania ciepła związanego z ruchem cząstek. Wrzątek szybko nagrzewa szkło i wodę w butelce. Gęstość wody z dna obniża się i zaczyna się ona unosić na powierzchnię, powodując kotłowanie się i ruch brokatu, z łatwością porywanego przez ruchy cieczy. Na podobnej zasadzie unoszą się nie tylko balony na gorące powietrze, lecz podrywane są cząstki kurzu, pyłu, bakterie i zarodniki grzybów, które mogą być potem roznoszone na ogromne odległości.

Doświadczenie 2

W pojemniku na mocz wymieszaj 30 ml wody z niebieskim barwnikiem spożywczym. Wstaw do zamrażarki na noc – do zamarznięcia. Litrowy słoik lub inny duży szklany pojemnik napełnij wodą. Zdejmij pokrywkę z niedużej (mieszczącej się na dłoni) szklanej solniczki, po czym napełnij ją wrzątkiem, dodaj czerwonego barwnika spożywczego i zamieszaj zawartość łyżeczką. Postaw solniczkę na dnie wypełnionego wodą słoja. Wrzuć kostkę niebieskiego lodu.

Wyjaśnienie: Gorąca woda w solniczce ma niższą gęstość niż woda o temperaturze pokojowej, więc niczym z wulkanu wypływają z niej kłęby czerwonego płynu i unoszą się ku powierzchni. Odwrotnie zachowuje się woda z topiącego się lodu – opada na dno. W większym, podłużnym naczyniu można nawet zaobserwować, że powoduje to cyrkulację wody w naczyniu – krążenie mas wody w oceanach tworzące prądy oceaniczne i głębinowe napędzane jest m.in. przez podobny mechanizm. Prądy te wynoszą z głębin na powierzchnię wód składniki mineralne, umożliwiając ich wykorzystanie różnym organizmom. Mają więc ogromne znaczenie dla różnorodności życia.

Doświadczenie 3

Do litrowego słoja włóż świeczkę podgrzewacz, zapal ją i ustaw blisko jednej ze ścianek. Z zewnętrznego termometru okiennego zdejmij plastikowe końcówki i wyciągnij kartonik z podziałką, a uzyskaną szklaną rurkę opłucz zimną wodą. Rurka nie może być za krótka – jej długość powinna wynosić co najmniej tyle, ile wysokość słoja. Rurkę wprowadź do słoja tak, aby końcówka znajdowała się blisko dna, ale po przeciwnej stronie niż świeczka. Od góry włóż do rurki zapalone kadzidełko na głębokość 5–10 cm. Obserwuj dym z kadzidełka. Wypróbuj różne położenia kadzidełka i ustawienia rurki. Opcjonalnie – z folii aluminiowej zrób przegródkę dzielącą wnętrze słoika na dwie części (zostaw szparę przy dnie), a świeczkę umieść z jednej strony.

Wyjaśnienie: Płomień świecy rozgrzewa powietrze i wydziela gorące gazy, które unoszą się ku wylotowi słoika. Z tego samego powodu unosić się będą cząstki dymu z tlącego się kadzidełka. Rurka lub przegródka z folii tworzą kanał, którym w miejsce uciekającego gorącego powietrza napływa zimne powietrze spoza słoika – dym z kadzidełka, zamiast unosić się do góry, jest zasysany przez rurkę (zwilżona wolniej się nagrzewa) ku dnu słoika. Zwiedzając sztolnie XIX-wiecznych kopalni, można zobaczyć zastosowanie tego efektu – specjalne kominki, w których palono, by napędzać cyrkulację powietrza i zasysanie powietrza z powierzchni przez inne pionowe szyby, co pozwalało na przewietrzanie kopalni. Bez takich kominków górnicy szybko udusiliby się z nadmiaru dwutlenku węgla.

Doświadczenie 4

W półlitrowym garnuszku rozmieszaj łyżeczkę brokatu jadalnego i 10–20 ml oleju rzepakowego (odpowiednio więcej, jeśli używasz większego naczynia). Podgrzewaj mieszaninę na najmniejszym płomieniu palnika i obserwuj zachowanie płynu (jeśli zacznie pryskać, wyłącz źródło ciepła). Zamiast brokatu możesz też użyć kakao.

Wyjaśnienie: Gotując mleko rozmieszane z kakao, możemy zaobserwować powstawanie dziwnych wzorów. Jeszcze lepiej będą one widoczne przy użyciu kakao i oleju, a najlepiej – brokatu i oleju – na powierzchni pojawiają się regularne wzory, ułożone obok siebie „oczka”. Wskazują one na istnienie tzw. komórek konwekcyjnych – gorąca ciecz unosi się strumieniem z dna, ale na powierzchni stygnie i rozlewa się na boki, zapadając ponownie w głąb cieczy. Wiele takich komórek układa się obok siebie, tworząc nawet bardzo regularny wzór (np. „plaster miodu”). Istnienie takich komórek obserwuje się w przyrodzie – komórki Hadleya czy Ferrela związane z cyrkulacją atmosfery oraz tzw. plamy gorąca wynikające z cyrkulacji magmy w płaszczu Ziemi.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

kakao, olej rzepakowy, jadalny brokat lub napój z brokatem, pojemnik na mocz, barwniki spożywcze, zewnętrzny termometr okienny, kadzidełko, świeca podgrzewacz, litrowy słoik, solniczka, butelka po soku owocowym, folia aluminiowa

Niewliczone w cenę: łyżeczka, kuchenka, garnuszek, zamrażarka, zapalniczka, czajnik

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 72 zł

***

Wiedza w pigułce

Już w III w. Chińczycy używali latających lampionów w czasie działań dywersyjnych, cywile słali nimi modlitwy do bogów zamieszkujących niebiosa, a Mongołowie najprawdopodobniej zastosowali je podczas bitwy pod Legnicą do wysyłania rozkazów. Jezuita Bartolomeu Lourenço de Gusmão zadziwił lampionem w 1709 r. króla Portugalii, kładąc podwaliny europejskiej aeronautyki, której przełomowym wydarzeniem było zademonstrowanie balonu mogącego transportować ludzi – dokonali tego bracia Montgolfier w 1783 r. A wszystko dzięki temu, że gazy (i ciecze) zwiększają – zazwyczaj – objętość wraz ze wzrostem temperatury, a przy tym zmniejsza się ich gęstość.

Różnice w gęstości i temperaturze mogą wywoływać ruch danego płynu, czyli konwekcję. Płyn o niższej gęstości wypływa na powierzchnię. Doskonałą ilustracją tego zjawiska jest lampa lawa, ale zjawisko to dostrzeżemy wszędzie wokół – w garnku z kotłującą się podgrzewaną wodą czy podczas letniego spaceru, gdy nad nagrzanym lądem tworzą się kominy termiczne, z których chętnie korzystają bociany czy żurawie. Skomplikowana sieć ciepłych i zimnych prądów morskich (powierzchniowych i głębinowych) wpływa na klimat i pogodę wielu obszarów, podobnie jak układy cyrkulujących mas powietrza, napływających m.in. od równika. Kipiące wnętrze naszej planety także cyrkuluje, mając swój udział w tonięciu mas skalnych w strefach subdukcji czy wypluwaniu magmy w dolinach ryftowych na dnie oceanu.