Fyzika · Základní škola · kapitola 3

Kapaliny a plyny

Proč pluje obří ocelová loď, ale malý hřebík se potopí? Proč nás v hloubce bolí uši a proč na horách vaříme brambory déle? Odpovědi skrývají zákony, které objevili Archimédes, Pascal a Torricelli.

1Vlastnosti tekutin

Kapaliny jsou téměř nestlačitelné, tekuté a v klidu tvoří vodorovnou volnou hladinu. Na hladině se projevuje povrchové napětí – vodoměrka chodí po vodě, kapky jsou kulaté. Plyny jsou snadno stlačitelné (pumpujeme pneumatiky), rozpínavé a nemají volnou hladinu.

2Pascalův zákon a hydraulika

Působí-li na kapalinu v uzavřené nádobě vnější síla, vznikne v kapalině tlak, který je ve všech místech stejný (Blaise Pascal, 17. století). Toho využívají hydraulická zařízení: malá síla na malý píst vyvolá tlak, který na velkém pístu vytvoří velkou sílu:

F₁ / S₁ = F₂ / S₂

Použití: hydraulický zvedák v autodílně, hydraulické brzdy, lis, rypadla a bagry.

3Hydrostatický tlak

Kapalina tlačí svou vlastní tíhou. Tlak v kapalině roste s hloubkou:

p_h = h · ρ · g

Ve vodě vzroste tlak asi o 10 kPa na každý metr hloubky; v 10 m je tlak vody stejný jako tlak celé atmosféry. Proto je hráz přehrady dole silnější než nahoře, potápěči potřebují speciální výstroj a hlubinné ponorky silné stěny. Hydrostatický tlak nezávisí na tvaru nádoby, jen na hloubce a hustotě kapaliny (hydrostatické paradoxon).

Spojené nádoby – v nádobách spojených u dna je hladina stejné kapaliny ve stejné výšce. Využití: konvice, vodovod s vodojemem na kopci, vodováha, plavební komory, kanalizační sifon.

4Archimédův zákon

Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou, jejíž velikost se rovná tíze kapaliny tělesem vytlačené (Archimédes ze Syrakus, 3. stol. př. n. l. – podle legendy na to přišel ve vaně a vyběhl s výkřikem „Heuréka!“).

F_vz = V · ρ_kapaliny · g

Co se s tělesem stane, závisí na porovnání hustot:

• ρ_tělesa > ρ_kapaliny – těleso klesá ke dnu (kámen, železný hřebík).
• ρ_tělesa = ρ_kapaliny – těleso se volně vznáší (ryba, ponorka).
• ρ_tělesa < ρ_kapaliny – těleso plove a částečně vyčnívá (dřevo, led – nad vodou je jen asi desetina ledovce).

Ocelová loď pluje, protože je dutá – její průměrná hustota (ocel + vzduch uvnitř) je menší než hustota vody. Ponorka mění svou hustotu napouštěním a vypouštěním vody z nádrží. V Mrtvém moři se díky velké hustotě slané vody nelze potopit. Archimédův zákon platí i pro plyny – proto stoupají balony naplněné heliem nebo horkým vzduchem.

5Atmosférický tlak

Vzduch má také hmotnost a tlačí na vše na Zemi. Normální atmosférický tlak u hladiny moře je asi 101 325 Pa ≈ 1 000 hPa. S nadmořskou výškou klesá (asi o 1 hPa na každých 8 m) – na vrcholu Sněžky (1 603 m) je asi 830 hPa, na Mount Everestu jen asi třetina.

• Poprvé ho změřil Evangelista Torricelli (1643): rtuť v trubici zavřené nahoře klesla na výšku asi 76 cm – nad ní zůstalo vakuum.
• Magdeburské polokoule (Otto von Guericke, 1654): ze dvou spojených polokoulí vyčerpal vzduch a ani 16 koní je nedokázalo odtrhnout.
• Tlak měříme barometrem (tlakoměrem). Tlak v pneumatikách měříme manometrem.

Atmosférický tlak využívá brčko, injekční stříkačka, přísavky i vysavač. Změny tlaku souvisejí s počasím: tlaková výše přináší obvykle jasné počasí, tlaková níže oblačnost a srážky. Na horách voda vře při nižší teplotě (na Everestu asi při 70 °C), proto se tam jídlo vaří déle – v kuchyni naopak vaříme rychleji v tlakovém hrnci.

6Kvíz – procvič si kapitolu