ΑΝΩΣΗ Πείραμα 1: Το αυγό που κολυμπάει. Τι χρειάζεσαι: ένα βρασμένο αυγό, ένα πλατύ ποτήρι ή ένα πλαστικό μπουκάλι, ένα μαχαίρι, νερό, αλάτι, ένα κουταλάκι. Τι θα κάνεις: Αν δεν είναι εύκολο να έχεις ένα πλατύ ποτήρι τότε κόψε το μπουκάλι σε ύψος 15 περίπου εκατοστά του μέτρου (cm) από τον πυθμένα του και κράτα το κάτω μέρος. Έχεις έτσι ένα δοχείο. Βάλε το αυγό μέσα στο δοχείο που έφτιαξες (ή στο πλατύ ποτήρι) και γέμισε το δοχείο με πόσιμο νερό. Το αυγό ακουμπάει στον πυθμένα. Στη συνέχεια ρίξε με το κουταλάκι λίγο - λίγο αλάτι και ανακάτεψε, για να διαλυθεί. Συνέχισε να ρίχνεις αλάτι, μέχρις ότου το αυγό ανέβει και ένα μέρος του βγει από το νερό. Τι θα δεις: Το αυγό επιπλέει με ένα μέρος του έξω από το νερό. Ερμηνεία: H άνωση που δέχεται το αυγό είναι Α= V βυθισμένου dg, όπου d η πυκνότητα του υγρού και V βυθισμένου ο όγκος του σώματος που είναι βυθισμένος μέσα στο υγρό. Αρχικά το αυγό είναι βυθισμένο γιατί το βάρος του είναι μεγαλύτερο από την άνωση που δέχεται από το πόσιμο νερό. Με τη διάλυση του αλατιού στο νερό αυξάνεται η άνωση, διότι έτσι αυξάνεται η πυκνότητα, d, του υγρού. Προσθέτοντας συνεχώς αλάτι, κάποια στιγμή η άνωση που δρα στο αυγό γίνεται μεγαλύτερη από το βάρος του, και το αυγό ανεβαίνει. Όση ώρα το αυγό ανεβαίνει η άνωση που δέχεται από τι υγρό είναι μεγαλύτερη από το βάρος του. Τελικά ένα μέρος του αυγού βγαίνει από το νερό, οπότε ο όγκος του που είναι βυθισμένος στο νερό ελαττώνεται άρα και η άνωση που δέχεται το αυγό. Το ανέβασμα του αυγού συνεχίζεται μέχρις ότου, όταν τελικά το αυγό ισορροπεί στην επιφάνεια του νερού, η άνωση είναι ίση με το βάρος του. Σημειώσεις: 1) Το νερό αμέσως μετά την πρόσθεση του αλατιού είναι θολό. Αυτό οφείλεται στο αλάτι που αιωρείται. Μετά από λίγο το αλάτι που αιωρείται, κατακάθεται και το διάλυμα γίνεται διαυγές. 2) Ο μοναδικός λόγος που χρειάζεται το αυγό να είναι βρασμένο είναι ότι μπορεί όταν ανακατεύεις, για να διαλυθεί το αλάτι, να σπάσει. Εφαρμογή του φαινομένου στην καθημερινή ζωή: Με τον παραπάνω τρόπο παλιότερα οι άνθρωποι που αλάτιζαν ελιές, έλεγχαν την καταλληλότητα της "σαλαμούρας" (του αλμυρού νερού που έβαζαν στις ελιές). Ήταν κατάλληλη, αν μέρος του αυγού έβγαινε στην επιφάνεια σαν κύκλος μεγέθους τότε δεκάρας (ας πούμε σήμερα 20λεπτου). Πείραμα 2: Πυκνόμετρο με ένα μολύβι. Τι χρειάζεσαι: Ένα πλαστικό μπουκάλι (ή ένα στενόμακρο ποτήρι), ένα μολύβι, ένα κομμάτι μονόκλωνο καλώδιο ή σύρμα, νερό, οινόπνευμα, λάδι, αλάτι. Τι θα κάνεις - Τι θα δεις: Κόψε το πλαστικό μπουκάλι εκεί που αρχίζει να στενεύει. Έχεις έτσι ένα στενόμακρο δοχείο. Γέμισε το δοχείο αυτό με νερό. 1
Φωτογραφία 26α Φωτογραφία 26β Τύλιξε τώρα κοντά στην πάνω άκρη του μολυβιού (εκεί που κάποια έχουν τη γόμα) ένα κομμάτι από το μονόκλωνο καλώδιο, φωτογραφία 26α, έτσι ώστε, όταν τοποθετήσεις το μολύβι μέσα στο στενόμακρο δοχείο σου, το μολύβι να πλέει κατακόρυφο με ένα μέρος του περίπου 4 εκατοστά του μέτρου (cm) έξω από το νερό, φωτογραφία 26β (τα 4 εκατοστά χρειάζονται ώστε όταν μετά θα τοποθετήσεις αυτό το μολύβι στο οινόπνευμα, να μη βουλιάξει). Πιάσε με τα δάκτυλά σου το μολύβι εκεί που η επιφάνεια του νερού συναντά το μολύβι. Βγάλε το μολύβι από το νερό και χάραξε εκεί μια γραμμή. Γέμισε το ποτήρι με οινόπνευμα, βάλε το μολύβι και σημείωσε πάλι την αντίστοιχη γραμμή. Που είναι πιο πολύ βυθισμένο το μολύβι, στο νερό ή στο οινόπνευμα; Γιατί; (Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν πυκνόμετρο. Αν γνωρίζεις την πυκνότητα του νερού και του οινοπνεύματος, μπορείς να βρεις την πυκνότητα του λαδιού ή του αλατόνερου. Πώς;) Ερμηνεία: Αφού το μολύβι σε όλες τις περιπτώσεις επιπλέει, η άνωση που δέχεται είναι όλες τις φορές ή ίδια, ίση με το βάρος του μολυβιού. Από τη σχέση Α=Vdg, με το Α σταθερό, όσο μικρότερη η πυκνότητα d (ή αντίστοιχα το ειδικό βάρος ε=dg) του υγρού, τόσο μεγαλύτερος ο όγκος V του μολυβιού που βυθίζεται στο υγρό. Σημείωση: 1) Μπορείς αντί για καλώδιο ή σύρμα να χρησιμοποιήσεις πλαστελίνη. 2) Βάλε αρκετό νερό στο δοχείο ώστε να μην πατάει το μολύβι στον πάτο. 3) Δεν χρειάζεται το οινόπνευμα να είναι καθαρό. Μην δίνεις το οινόπνευμα στα παιδιά. Το οινόπνευμα εξατμίζεται και δημιουργεί δυσάρεστη ατμόσφαιρα στην τάξη. Όταν τελειώσεις το πείραμα, με τη βοήθεια ενός χωνιού, ρίξε το οινόπνευμα σε ένα πλαστικό μπουκάλι και φύλαξέ το καλά κλεισμένο. Για καλύτερες μετρήσεις Κόψε ένα κομμάτι από το στενότερο καλαμάκι αναψυκτικών που μπορείς να βρεις. Κλείσε τη μια του άκρη από το καλαμάκι με κόλα ρευστή ή στικ, δηλ. γέμισε το ένα του άνοιγμα με κόλα, ώστε να μη μπορεί να μπει νερό από αυτήν μέσα στο καλαμάκι. Όταν ξεραθεί η κόλα τοποθέτησε, γύρω από την άκρη που έχεις κλείσει, ένα κομμάτι πλαστελίνη έτσι ώστε, όταν βάλλεις το καλαμάκι μέσα σε ένα στενόμακρο δοχείο (π.χ. ένα ψηλό κυλινδρικό ποτήρι) με νερό, το καλαμάκι να πλέει κατακόρυφο με ένα μέρος του περίπου 5 εκατοστά του μέτρου έξω από το νερό. Αν στη συνέχεια το τοποθετήσεις σε στενόμακρο δοχείο γεμάτο με οινόπνευμα μόλις θα επιπλέει. Έλεγξε το μήκος από το καλαμάκι που μένει έξω από το υγρό σε κρύο και σε χλιαρό νερό. Δοκίμασε τι συμβαίνει με την πλεύση του σε οινοπνευματώδη ποτά, ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε οινόπνευμα. Εφαρμογή του φαινομένου στην καθημερινή ζωή: Γραμμές Πλίμσολ στα πλοία. Στα πλοία, ανάλογα με το πόσο είναι το φορτίο τους, εκτοπίζεται λιγότερο ή περισσότερο νερό. Με τον 2
τρόπο αυτό το βάρος του πλοίου είναι πάντα ίσο με την άνωση. Με σταθερό φορτίο το πλοίο βυθίζεται περισσότερο ή λιγότερο ανάλογα με την αλατότητα των νερών ή ακόμη και τη θερμοκρασία τους. Πείραμα 3: Ανέλκυση βυθισμένων σωμάτων με αέρα. Τι χρειάζεσαι: ένα πλαστικό μπουκάλι από αναψυκτικό ή από νερό, μια βαθιά λεκάνη (π.χ. μια λεκάνη μπουγάδας), μικρά χαλικάκια ή καρφάκια, 4-5 καλαμάκια, νερό. Τι θα κάνεις: Γέμισε το μπουκάλι με νερό και πρόσθεσε μικρά χαλικάκια ή καρφάκια ώστε το μπουκάλι να μένει βυθισμένο, όταν το ξαπλώσεις μέσα στο νερό της λεκάνης, φωτογραφία 27α. ΠΡΟΣΟΧΗ: Πρόσθεσε σταδιακά χαλικάκια ή καρφάκια μέχρις ότου πετύχεις να μένει βυθισμένο το μπουκάλι, αλλά μη βάλεις περισσότερα από όσα χρειάζονται. Σύνδεσε 2-3 καλαμάκια βάζοντας την άκρη του ενός μέσα στην άκρη του άλλου, έτσι ώστε να σχηματιστεί ένα μακρύ καλαμάκι. Τοποθέτησε τη μια άκρη από το μακρύ καλαμάκι μέσα στο βυθισμένο μπουκάλι και φύσηξε από την άλλη άκρη, φωτογραφία 27β. Αντί για τα καλαμάκια μπορείς να χρησιμοποιήσεις ένα κομμάτι από λάστιχο σχετικά στενό π.χ. στενό αλφαδολάστχο, στενό λάστιχο που χρησιμοποιείται για σταγόνες σε γλάστρες, στην ανάγκη και κανονικό λάστιχο ποτίσματος. Τι θα δεις: Το βυθισμένο μπουκάλι ανεβαίνει στην επιφάνεια. Ερμηνεία: Ο αέρας από το φύσημα, ανάγκασε το νερό που υπήρχε μέσα στο μπουκάλι να βγει από αυτό. (Για να συμβεί αυτό, πρέπει τελικά η πίεση που θα έχει ο αέρας μέσα στο μπουκάλι, να είναι ίση με την ατμοσφαιρική συν την υδροστατική σε αυτό το βάθος, γιατί;) Τελικά το βάρος του βυθισμένου σώματος γίνεται μικρότερο από την άνωση και το σώμα ανεβαίνει στην επιφάνεια, όπου όταν τελικά το σώμα ισορροπεί η άνωση είναι ίση με το βάρος. Φωτογραφία 27α Φωτογραφία 27β Σημείωση: Με ανάλογο τρόπο και με τη βοήθεια μηχανημάτων, τα υποβρύχια με πρόσθεση ή αφαίρεση νερού από ειδικές δεξαμενές που έχουν, καταδύονται ή αναδύονται. Παρατηρήσεις: 1. Ποιο σώμα δέχεται μεγαλύτερη άνωση; Είναι διαδεδομένη μεταξύ των μαθητών η άποψη -μερικές φορές καλλιεργείται και μέσα από βιβλία- ότι, όταν ένα σώμα επιπλέει στο νερό (γενικότερα σε υγρό), τότε η άνωση που δέχεται από αυτό είναι μεγαλύτερη από το βάρος του. Την άνωση τη δέχονται οι μαθητές ίση με το βάρος, μόνο όταν το σώμα αιωρείται βυθισμένο ολόκληρο μέσα στο νερό. Αποτέλεσμα της ίδιας αιτιακής λογικής του μαθητή (το 3
σώμα προς τα πάνω, άρα υπάρχει αίτιο προς τα πάνω, άρα η άνωση είναι μεγαλύτερη) είναι και η άποψη ότι όσο πιο έξω (πιο πάνω σχετικά με την επιφάνεια του υγρού) επιπλέει το σώμα τόσο μεγαλύτερη άνωση δέχεται (Κουμαράς κ.ά. 1994). Η άνωση είναι μεγαλύτερη από το βάρος, μόνο όταν το σώμα κινείται προς τα πάνω. Όταν το σώμα είναι ακίνητο, χωρίς να ακουμπάει στον πυθμένα του δοχείου, η άνωση είναι ίση με το βάρος. Όσο πιο μεγάλο μέρος του όγκου ενός σώματος είναι βυθισμένο στο υγρό τόσο μεγαλύτερη άνωση δέχεται το σώμα. Έτσι το παραπάνω πείραμα δίνει την ευκαιρία να συζητήσουμε το ότι η άνωση που δέχεται το μπουκάλι όταν είναι βυθισμένο ολόκληρο στο νερό, είναι μεγαλύτερη από την άνωση που δέχεται όταν επιπλέει, απλά το βάρος του είναι διαφορετικό στις δυο περιπτώσεις. 2. Ποια σώματα βουλιάζουν και ποια επιπλέουν; Μεταξύ των μαθητών είναι επίσης διαδεδομένη η άποψη ότι τα βαριά σώματα βουλιάζουν και τα ελαφριά επιπλέουν. Για την αντιμετώπιση αυτής της άποψης είναι χρήσιμο να γίνει ένας πίνακας με σώματα που βουλιάζουν και σώματα που επιπλέουν. Ο πίνακας μπορεί να συμπληρωθεί, αν ρίξουμε διάφορα σώματα σε μια λεκάνη με νερό και σημειώσουμε ποια από αυτά βουλιάζουν και ποια επιπλέουν. Με συζήτηση μπορεί να γίνει εύκολα κατανοητό ότι, αν ήταν σωστή η άποψη ότι τα βαριά βουλιάζουν ενώ τα ελαφριά επιπλέουν, τότε ένα δεξαμενόπλοιο θα έπρεπε να ήταν ελαφρότερο από ένα μικρό κέρμα! Για να δείξετε ότι δεν παίζει ρόλο μόνο το βάρος μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα κομμάτι πλαστελίνης αρχικά στη μορφή βόλου, οπότε βουλιάζει, και στη συνέχεια το πλάθετε σα βάρκα, οπότε επιπλέει. Ερώτηση: Μια βάρκα με το βαρκάρη της είναι φορτωμένη με κομμάτια σιδήρου και πλέει σε μια πισίνα. Το νερό στην πισίνα είναι ίσα-ίσα με τα χείλη της. Αν ο βαρκάρης ρίξει τα κομμάτια του σιδήρου μέσα στο νερό τότε: 1) Το νερό της πισίνας θα μείνει στο ίδιο ύψος; 2) Το νερό της πισίνας θα ανέβει και η πισίνα θα ξεχειλίσει; 3) Το νερό της πισίνας θα κατέβει; Δικαιολόγησε την απάντησή σου. Και τώρα έλεγξε την απάντησή σου. Τι χρειάζεσαι: Ένα πλαστικό μπουκάλι από αναψυκτικό, ένα πλαστικό διαφανές ποτήρι (αναψυκτικού), βίδες, ή κέρματα, καρφάκια κτλ. Τι θα κάνεις: Κόψε το πλαστικό μπουκάλι εκεί που αρχίζει να στενεύει. Έχεις έτσι ένα στενόμακρο δοχείο. Γέμισε το δοχείο αυτό με νερό, μέχρι περίπου 10 cm από την επιφάνειά του. Τοποθέτησε το πλαστικό ποτήρι όρθιο με τον πυθμένα του να ακουμπάει στο νερό και βάλε μέσα στο ποτήρι βίδες και καρφάκια μέχρι το ποτήρι να πλέει μεν αλλά αρκετά βυθισμένο στο νερό. Πρόσθεσε προσεχτικά νερό στο πλαστικό δοχείο, ώστε το νερό να φτάσει μέχρι τα χείλη του δοχείου, φωτογραφία 28α. Βγάλε τώρα το πλαστικό ποτήρι άδειασε τις βίδες κτλ μέσα στο νερό και στη συνέχεια βάλε και το ποτήρι άδειο να πλέει στο νερό, φωτογραφία 28β. Τι έγινε με τη στάθμη του νερού; Γιατί η στάθμη έπεσε; 4
Φωτογραφία 28α Φωτογραφία 28β Σημείωση: Το διαφανές πλαστικό ποτήρι προσφέρεται για να δείξεις στους μαθητές σου τον όγκο που καταλαμβάνουν μέσα στο ποτήρι τα σιδερένια αντικείμενα (βίδες, καρφάκια κτλ) καθώς και τον όγκο του νερού που εκτοπίζει το «φορτωμένο» ποτήρι. Στη φωτογραφία για να διακρίνεται το επίπεδο της στάθμης του νερού έχει προστεθεί ρίγανη η οποία επιπλέει και δείχνει τη στάθμη. Γιατί δεν χρησιμοποιήθηκε τέμπερα για να χρωματίσει το νερό; 5