6 Trdno in tekoče 6.1 Tlak in gostota 6.2 Tekočine 6.3 Plavanje 6.4 Ozračje in vreme Aprila 1912 se je Titanik podal na svojo prvo plovbo. Z dolžino treh nogometnih igrišč in višino Ljubljanskega nebotičnika je bil največja ladja tistega časa. V vseh pogledih je bil izjemen tehnološki dosežek med drugim je bil zasnovan tako, da se po mnenju inženirjev sploh ne bi smel potopiti. Zato tudi ni nenavadno, da je bilo na krovu občutno premalo rešilnih čolnov. Na žalost ledena gora, ki mu je štiri dni pozneje razparala bok, vsega tega ni vedela. Titanik je v vsem svojem blišču in z več kot tisoč potniki na krovu v nekaj manj kot treh urah potonil v globine Atlantika. Tragična zgodba je ostala zavita v tančico skrivnosti vse do leta 1985, ko so s posebnimi podmornicami na dnu Atlantika našli razbitine mogočne ladje.
6.1 Tlak in gostota Ključne besede: sile ob dotiku ploščina tlak pascal bar Tlak oziroma pritisk je sicer pogost pojem, ki pa si ga težko jasno predstavljamo in ga velikokrat zamenjujemo s silo. PRED BRANJEM: razmisli, kaj si predstavljaš pod pojmom tlak MED BRANJEM: ugotovi, kako je tlak opredeljen v fiziki PO BRANJU: primerjaj obe definiciji. Kaj ugotoviš? Na slovesnem plesu mična plesalka v visokih petah po nesreči pohodi soplesalca. Ta se komaj zadrži, da ne zavpije od bolečine in skozi zobe izdavi:»to boli bolj, kot če bi me pohodil slon!«plesalka osupne in užaljena zaradi takšne neotesanosti plesalca odvihra s plesišča. Plesalec res ni bil najvljudnejši, a v resnici je imel zelo prav... Je stična površina pomembna? Z izjemo sile teže imamo v vsakdanjem življenju večinoma opravka s silami ob dotiku. Telo s silo ob dotiku deluje na drugo telo po celotni stični površini, ki je lahko majhna (npr. visoke petke in tla) ali pa velika (npr. slonova noga in tla). Da je učinek sile ob dotiku odvisen tudi od stične površine, se je na lastni koži prepričal naš nevljudni plesalec. Sicer pa ima vsak od nas tudi svoje izkušnje, recimo ozke naramnice nahrbtnika, vbod injekcijske igle in podobno. Alpinist na sliki o pomembnosti velikosti stične površine niti malo ne dvomi!? Naštej še kakšen vsakdanji primer, kjer je pomembna velikost stične površine. Kako upoštevati stično površino? Doslej smo pri opisu sil upoštevali njihovo velikost, smer in prijemališče. Zdaj pa vidimo, da je pri silah ob dotiku pomembna tudi površina, na kateri deluje sila. To so vedeli že naši predniki, ki so za hojo po snegu izdelali»copate«z veliko površino, ki jim pravimo krplje. Zato se jim je sneg med hojo manj udiral. Kolikšna je ploščina? Določi ploščino svojih čevljev in smuči. Podrobna navodila najdeš na strani 14. Pri merjenju velikosti stične površine si lahko pomagamo tudi z obrisom ploskve na milimetrski mreži. 2 Toda kako vemo, kolikšna je stična površina? Za ploščine geometrijskih likov obstajajo preproste formule. Stične površine drugačnih oblik pa lahko razdelimo na manjše geometrijske like, v skrajnem primeru z milimetrsko mrežo na vsega milimeter velike kvadratke. Ploščino (angl. surface) označimo s črko S in merimo v kvadratnih metrih (m 2 ).? Kako bi izmeril stično površino pri vbodu igle?
Kaj je tlak? Namesto da ob velikosti sile navajamo tudi velikost stične površine, raje vpeljemo novo količino tlak (angl. pressure), ki zajema oboje. Tlak je razmerje med silo, ki deluje na telo, in ploščino, na kateri deluje. Tlak označimo s črko p in izračunamo tako, da silo delimo s ploščino. Zapišemo krajše: tlak = sila ploščina ali p = F S Če podvojimo silo, se podvoji tudi tlak. Če pa podvojimo stično ploščino, se tlak prepolovi.? Kakšna je razlika med tlakom in silo? Pri izračunu tlaka dobimo rezultat v newtonih na kvadratne metre, kar nadomestimo s pascali (izg. paskal). Tlak 1 Pa ni posebno velika enota (pod našimi stopali je tlak okrog 10.000 Pa), zato navadno uporabljamo večje enote: tisočkrat večja enota je kilopascal (kpa) 1 kpa = 1000 Pa = 10 3 Pa stotisočkrat večja enota je bar (bar) 1 bar = 100.000 Pa = 10 5 Pa! Tlak (p) podaja razmerje med silo in površino, na kateri deluje. Merimo ga v pascalih (Pa). Blaise Pascal Kako zmanjšamo ali povečamo tlak? Če želimo, da sila deluje na čim manjši površini, uporabimo ostre predmete (nož, drsalke, medicinska igla...). Pogosto pa želimo ravno nasprotno čim večjo stično površino. Neprijetno je namreč spati na trdih tleh, sedeti na ozki ograji in podobno, saj je sila porazdeljena na majhno stično površino, zaradi česar je tlak sorazmerno velik. Zato v takšnih primerih uporabimo mehke predmete (vzmetnica, oblazinjen stol, varnostna blazina...), ki se prilagodijo obliki telesa in povečajo stično površino ter s tem zmanjšajo tlak. p = F S Povzetek Sile ob dotiku delujejo na različno velikih stičnih površinah, kar je v nekaterih primerih zelo pomembno. Zato je poleg velikosti, smeri in prijemališča sile treba upoštevati tudi velikost površine, na kateri deluje sila. To meri tlak, ki pove, kolikšna sila deluje na določeno ploščino (npr. 1m 2 ). Ponovi 1. Kaj vse moramo upoštevati pri opisu sile? 2. Naštej nekaj primerov, ko sila deluje na veliki površini in nekaj, ko deluje na majhni. 3. Kako merimo ploščine različnih oblik? 4. Kaj pove tlak? 5. V kakšnih enotah merimo tlak? Razmisli Kako bi ugotovil, kolikšen je tlak pod rezilom drsalke? Odgovori 1. Približno za kolikokrat se zmanjša tlak pod nogami planinca, če namesto čevljev uporabi krplje? Podatke poišči sam. 2. S kolikšno silo pritiska zrak na tla učilnice s ploščino 60 m 2, če znaša zračni tlak 1 bar? Rešimo skupaj Izračunajmo, ali je tlak večji pod stopali slona z maso 3,6 tone ali petkami 50 kg plesalke. Stopalo slona ima ploščino 4 dm 2, petka pa 1 cm 2. plesalka: p = F S p = 500 N 2 1 cm 2 N p = 250 cm 2 p = 2,5 10 6 Pa slon: p = F S p = 36000 N 4 4 dm 2 N p = 2250 dm 2 p = 2,3 10 6 Pa Tlak pod slonovo nogo je več kot 10-krat manjši. Merilniki tlaka Tlak v tekočinah merimo z manometri. Preprosti manometri imajo cevko, napolnjeno s kapljevino, ali pa tanko kovinsko škatlico, napolnjeno s plinom. Ker so nekoč merili tlak z živosrebrnimi manometri, še vedno srečamo enoto milimetri Hg (običajnemu zračnemu tlaku ustreza 760 mm Hg). 3
6.1 Tlak in gostota Ključne besede: lastnosti snovi prostornina liter gostota specifična teža Gostota je pojem, ki ga pri kapljevinah pogosto zamenjujemo s tem, kako dobro tečejo. PRED BRANJEM: razmisli, katere snovi se zdijo»goste«med BRANJEM: ugotovi, katere snovi imajo veliko gostoto PO BRANJU: je oboje med seboj povezano? V Idriji je do pred kratkim deloval eden največjih rudnikov živega srebra snovi, ki je v marsičem zelo nenavadna. Na žalost je tudi zelo strupena, kar je veliko rudarjev plačalo z življenjem. A lastnost, ki so jo idrijski rudarji veliko bolje poznali in so se ji vedno znova čudili, je njegova gostota že ena sama litrska steklenica živega srebra ima več kot 13 kilogramov! 1 kg zraka 833 dm 3 1 kg zraka (pri običajnem zračnem tlaku in temperaturi) zavzema precej večjo prostornino kot 1 kg vode ali kovine. 1 kg vode 1,0 dm 3 Je zrak»lažji«od vode? Balon, napolnjen z zrakom, je mnogo lažji od enako velikega balona, napolnjenega z vodo. V vsakdanjem življenju bi rekli, da je zrak»lahek«in voda»težka«, kar pa ni najustreznejše, saj tehtnica ne loči med kilogramom zraka in kilogramom vode. V takšnih primerih moramo poleg mase snovi upoštevati tudi njeno prostornino. Ne le zrak in voda, tudi druge snovi imajo različne mase pri enaki prostornini oziroma različne prostornine pri enaki masi. Tako ima lahko majhna svinčena utež precej večjo maso kot velika plošča stiropora. 1 kg železa 0,12 dm 3 Kolikšna je gostota kamna? Izmeri prostornino in gostoto kamna. Podrobna navodila najdeš na strani 14. Kako izmerimo prostornino telesa? Toda kako vemo, kolikšna je prostornina telesa? Za prostornine geometrijskih teles obstajajo formule, a večina teles v naravi ni pravilnih oblik, zato se moramo zateči k merjenjem. Plinom preprosto pripišemo prostornino posode oziroma prostora, v katerem so. Kapljevinam in trdinam pa lahko prostornino določimo z merilnim valjem, pri čemer trdnine potopimo v vodo v valju. Prostornino (angl. volume) označujemo s črko V in podajamo v kubičnih metrih (m 3 ). Ker pa je to za vsakdanjo rabo precej velika enota, uporabljamo tudi manjši enoti 1 dm 3 (= liter) in 1 cm 3 (= mililiter). medglaktični prostor ρ < 10 26 g/dm 3 zrak (pri 20 o C) ρ = 1,2 g/dm 3 voda ρ = 1,0 kg/dm 3 aluminij ρ = 2,7 kg/dm 3 4
Povzetek Snovi se med seboj razlikujejo tudi po tem, koliko prostora zasede določena količina snovi. To lastnost opišemo z gostoto, ki pove, kolikšno maso ima določena prostornina snovi (npr. 1 m 3 ). V splošnem imajo plini najmanjšo gostoto, gostote kapljevin in trdnin pa so podobne. Ponovi 1. Naštej nekaj»lahkih«in nekaj»težkih«snovi. 2. Kakšna je povezava med litri in dm 3? 3. Kaj pove gostota? 4. V kakšnih enotah merimo gostoto? 5. Kakšna je razlika med maso in gostoto? Razmisli Kako bi izmeril prostornino svojega telesa? Kaj je gostota? Namesto da opisujemo, kako»lahek«ali»težek«je določen kos snovi, uporabljamo pojem gostota (angl. density). Gostota pove, kolikšno maso ima snov pri določeni prostornini. Tako ima»težja«voda v resnici večjo gostoto kot»lažji«zrak. Gostoto označujemo z ρ (grška črka ro) in krajše zapišemo: gostota = masa prostornina ali ρ = m V Gostoto telesa navadno izračunamo iz njegove mase in prostornine ali preberemo iz tabel, podajamo pa jo v kilogramih na kubični meter kg m. 3 Pogosto uporabljamo tudi tisočkrat večji enoti 1 kg g oziroma 1 cm, ki si ju precej lažje predstavljamo: 3 kg kg 3 = 1000 3 = 103 1 kg dm g 1 cm m m m 3 m 3 kg kg 3 = 1000 3 = 103! Gostota (ρ) pove, kolikšna masa snovi je v določeni prostornini. Gostoto merimo v kg m 3. dm 3 V splošnem imajo trdnine in kapljevine podobne gostote, plini pa imajo tudi do tisočkrat manjšo gostoto od kapljevin in trdnin. Zrak, za katerega se zdi, da sploh nima mase, ima v resnici zelo majhno gostoto. Tako bi imela vsebina litrske plastenke, polne svinčenih šiber, maso več kot 11 kg, vode natanko 1 kg in zraka malo več kot 1 gram. ρ = m V Rešimo skupaj Izračunajmo, kolikšna je gostota smrekovega lesa, če smrekov tram oblike kvadra z merami 4 m 15 cm 15 cm tehta 45 kilogramov? V = a b c V = 4 m 0,15 m 0,15 m V = 0,09 m 3 Specifična teža Namesto mase telesa lahko s prostornino delimo tudi težo. Takrat pa ne dobimo gostote, temveč specifično težo snovi, ki jo označujemo s σ (grška črka sigma): spec. teža = teža prostornina ρ = m V 45 kg ρ = 0,09 m 3 ρ = 500 kg m 3 ali σ = Fg V Specifična teža je podobno povezana z gostoto, kot sta med seboj povezani masa in teža. Za opis snovi navadno zadostuje gostota, specifična teža pa je uporabna pri opisu tlaka zaradi teže tekočine. Kako gosta je snov v nevtronski zvezdi, si sploh ne znamo predstavljati. Že ena čajna žlička te snovi bi namreč imela milijardo ton več kot je masa vseh ljudi na Zemlji skupaj. svinec ρ = 11,3 kg/dm 3 živo srebro ρ = 13,6 kg/dm 3 zlato ρ = 19,3 kg/dm 3 nevtronska zvezda ρ > 10 10 kg/dm 3 5
6.2 Tekočine Ključne besede: agregatno stanje tekočine tlak merjenje tlaka hidravlične naprave črpalka V tem podpoglavju naslovi namenoma niso zapisani v obliki vprašanj kot pri drugih poglavjih. PRED BRANJEM: naslove zapiši v obliki vprašanj MED BRANJEM: oblikuj odgovore na vprašanja PO BRANJU: si zadovoljen z odgovori? Jih razumeš? 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0... Srečno novo leto!!! Zasliši se pok, zamašek poleti proti stropu in penina kar privre na plan. Zdi se, kot da skoraj nobeno slavje ne mine brez penine. A najbrž je nihče ne bi uporabljal, če bi bila kot druga vina, ki jih brez»pompa«preprosto odpreš in natočiš v kozarce. V čem je torej skrivnost penine? Trdno in tekoče Snovi na Zemlji so v trdnem, kapljevinastem in plinastem agregatnem stanju (glej strani 90 in 91), ki se med seboj precej razlikujejo. V trdnini so gradniki snovi blizu skupaj in med seboj močno povezani. To je razlog, da imajo trdnine stalno obliko, ki jo lahko spremeni šele sorazmerno velika sila. Na drugi strani so gradniki v kapljevinah šibko povezani, v plinih pa večinoma sploh ne, zaradi česar kapljevine in plini nimajo stalne oblike in lahko tečejo. Zaradi te lastnosti kapljevine in pline pogosto imenujemo s skupnim imenom tekočine (angl. fluids). Skale so trdnina, voda kapljevina in zrak plin. Voda in zrak sta tekočini, ker se lahko pretakata.? Naštej nekaj tekočin. Sile v tekočinah Enake zakonitosti kot za trdna telesa veljajo tudi za sile na tekočine, ker pa tekočine nimajo trdnega površja, jih opisujemo nekoliko drugače. Zaradi omenjene lastnosti so namreč vse sile na tekočine (razen teže) ploskovno porazdeljene. Pri tem so stične ploskve navadno stene posode ali gladina kapljevine. Zato delovanje sil na tekočine pogosto opisujemo s tlakom. Kakšne so sile v tekočinah? Balon napolni z vodo in se poigraj z njim. Podrobna navodila najdeš na strani 14. 6 Topel zrak v balonu pritiska na stene balona in jih napenja, stene pa v skladu z zakonom o vzajemnem delovanju sil pritiskajo na zrak v balonu in ga zadržujejo v balonu. Tekočina ves čas pritiska na stene posode in»sili«iz nje. To pomeni, da tekočina deluje na stene posode s silo oziroma nanjo izvaja tlak. O tem se lahko prepričamo z balonom, polnim zraka ali vode. Nekoliko težje pa ugotovimo, da sile tekočine vedno delujejo pravokotno na stene.! Tekočina deluje na steno posodo, s katero je v stiku, s silo, pravokotno na to steno.
Tlak zaradi zunanje sile Če povlečemo za en konec vrvi, se vlečna sila prenese vzdolž celotni vrvi. Nekaj podobnega opazimo tudi pri tekočinah. Če s kolesarsko tlačilko povečamo tlak pri ventilčku gume, se tlak poveča po celotni zračnici. Torej se tudi po tekočini prenašajo sile. Pokaže se, da zaradi zunanje sile po vsej tekočini tlak naraste za enako vrednost. Hidravlične naprave Prenašanje sil po tekočinah izkoriščamo v hidravličnih napravah. Ko npr. v avtu zavremo, stopalka zavore pritisne na posodo z oljem, ki prenese silo do zavornih ploščic. Ker je tlak po celotnem olju enak, s povečanjem ploščine na drugem koncu povečamo tudi silo. Pri podvojeni ploščini se podvoji tudi sila. Če pa posoda z oljem pušča, bo ob vsakem pritisku na stopalko iz posode brizgnilo olje. Natanko na tej osnovi delujejo črpalke med drugim tudi naše srce. Povzetek Kapljevine in pline lahko tečejo, zato oboje pogosto imenujemo z eno besedo tekočine. Tekočina na stene posode izvaja tlak, ki je posledica trkov gradnikov ob stene. Tlak zaradi zunanje sile je po vsej tekočini enak. Ponovi 1. Naštej nekaj razlik in podobnosti med agregatnimi stanji (glej strani 90 in 91). 2. Zakaj delovanje sil v tekočinah opisujemo s tlakom? 3. Kaj velja za tlak v tekočini? 4. Opiši delovanje hidravličnih naprav in črpalk. Razmisli Kako bi ugotovil, koliko dela opraviš pri rezanju kruha? Pomagaj si s kuhinjsko tehtnico. hidravlično dvigalo majhna sila velika sila? Ali se pri povečanju sil poveča tudi delo? Rešimo skupaj Večji bat hidravličnega dvigala ima ploščino 10 m 2, manjši pa 0,5 m 2. S kolišno silo moramo pritisniti na manjši bat, da bo večji dvignil avto z maso 1000 kg? Razmerje velikosti batov: S v : S m = 0,5 m 2 : 10 m 2 = 1 : 20 Ker je ploščina manjšega bata 20-krat manjša, je potrebna tudi 20-krat manjša sila: črpalka tlak gibanje F m = 10.000 N = 500 N 20 Gibanje gradnikov in tlak V tekočinah gradniki pri svojem gibanju občasno trčijo tudi ob steno posode. Sila, s katero pri trku posamezen gradnik deluje na steno, je zelo majhna, a ker je gradnikov zelo veliko (glej str. 88), je skupna sila lahko precejšnja. To silo izmerimo kot tlak, ki ga tekočina izvaja na stene posode. Ker pa gradniki trkajo tudi med seboj in pri tem izravnavajo svoje hitrosti, se v manjši posodi v povprečju vsi gradniki gibljejo enako hitro. Zato v katerem koli delu manjše zaprte posode namerimo enak tlak.! Tlak zaradi zunanje sile se prenese po vsej tekočini in je na vseh mestih in v vseh smereh enak. Človeško srce Če človeku preneha biti srce, brez ustrezne medicinske pomoči umre v nekaj minutah. Srce namreč ob vsakem utripu potisne po žilah približno 100 ml krvi, ki celicam prinese nujno potrebne snovi in odnese odvečne. Srce tako v 70 letih naredi okrog 2 milijardi utripov in prečrpa približno 200 milijonov litrov krvi (100 olimpijskih bazenov). 7
6.2 Tekočine Ključne besede: sile ob dotiku ploščina tlak pascal bar V tem podpoglavju ključna dejstva in zamisli namenoma niso zapisana odebeljeno. PRED BRANJEM: preleti vprašanja v naslovih MED BRANJEM: izpiši pomembna dejstva PO BRANJU: oblikuj ključne zamisli Izjemne lepote podvodnega sveta privabljajo številne potapljače. Ker pa to ni človekovo naravno okolje, je potapljanje lahko izjemno nevarno. Večina nevarnosti je povezana z razlikami v tlaku, ki pa se jim izkušeni potapljači s primerno opremo in ravnanjem lahko izognejo. Na drugi strani pa je vsakršno nepoznavanje in podcenjevanje razmer lahko usodno. gladina Čim debelejša je plast vode (globina vode), tem večji je zaradi njene teže tlak na dnu. tlak 1 bar Je tlak v tekočini res povsod enak? Če se v morju potopimo nekaj metrov globoko, začutimo rahlo bolečino v ušesih. Ta je posledica tlaka vode, ki je v globini nekoliko večji kot tik pod površljem. Plast vode nad nami zaradi teže namreč pritiska na nas in spodnje plasti vode, kar zaznamo kot povečan tlak. To bolje razumemo, če primerjamo tlak tik pod gladino in na dnu pokončnega akvarija, na katerega pritiska vsa voda, ki je v njem. Torej tlak v večji posodi vendarle ni povsod enak, temveč je pri dnu nekoliko večji kot tik pod površino. Ali se tlak spreminja z globino? Preluknjano plastenko napolni z vodo. Podrobna navodila najdeš na strani 15. globina 10 m globina 20 m globina 30 m 8 tlak 2 bara tlak 3 bari tlak 4 bari Kakšen je tlak v morskih globinah? Ostanimo še malo pri akvariju. Če akvarij, do polovice napolnjen z vodo, napolnimo do vrha, smo s tem podvoljili debelino plasti vode v njem. S tem se podvoji tudi teža vode in tlak na dnu akvarija. Iz tega lahko sklepamo, da tlak zaradi teže tekočine enakomerno narašča z globino (v zraku z višino). To lahko zapišemo tudi krajše: tlak teže = sp. teža globina ali p = σ h Spremljajmo potapljača pri potopu in sproti merimo tlak na različnih globinah. Na začetku potopa, tik pod vodno gladino, je tlak enak zračnemu tlaku in znaša približno 1 bar. Na globini 10 m znaša tlak že 2 bara in na globini 20 m doseže 3 bare. Tlak v vodi torej na vsakih 10 m globine naraste za 1 bar.! Tlak zaradi teže tekočine enakomerno narašča z globino. V vodi se vsakih 10 m poveča za 1 bar.
Kaj pa zračni tlak? V resnici se nam ni treba potapljati, da bi občutili tlak zaradi teže tekočine, saj živimo na dnu velikega ocena zraka. Zemljo namreč obdaja nekaj deset kilometrov debela plast zraka, ki ji pravimo ozračje. Na dnu ozračja na nadmorski višini 0 m (nad gladino morja) znaša zračni tlak približno 1 bar oziroma 100 kpa. Na našo dlan torej pritiska ozračje s silo okoli 1000 N, kar presega težo pralnega stroja. Tlak zaradi teže celotnega ozračja torej ustreza tlaku 10 m debele plasti vode. Dihanje Pljuča izmenjujejo zrak z okolico na osnovi razlike tlaka. Ob vdihu se prsni koš razširi in poveča prostornino pljuč. Zaradi tega se zmanjša tlak v pljučih in zrak iz okolice vdre v pljuča. Pri izdihu je obratno: prsni koš se skrči, tlak v pljučih se poveča in iztisne zrak iz njih. Pljuča v 70 letih izmenjajo približno 200 milijonov litrov zraka.? Zakaj tlak celotnega ozračja»odtehta«le 10 m vode? Zračni tlak, podobno kot v tlak v vodi, z globino narašča ker smo na dnu ozračja, je bolje reči, da z višino pada. Na višini 5 km znaša približno polovico tlaka pri tleh, na višini 15 kilometrov pa le še desetino.! Zemljo obdaja tanka plast zraka. Zračni tlak ob morju znaša približno 1 bar in pada z višino. Zakaj ne čutimo zračnega tlaka? Kako je mogoče, da 1000 N pritiska na našo dlan, pa tega sploh ne občutimo? Odgovor se skriva v smeri, v kateri deluje tlak. Spomnimo se, da tlak v tekočini deluje v vse smeri, torej tudi na našo dlan pritiska iz vseh smeri. Silo ozračja, ki pritiska na dlan od zgoraj, izravna sila od spodaj, silo, ki deluje z leve, izravna sila z desne... A zakaj nas potemtakem vse te sile ne zmečkajo, tako kot ocean podmornico, ki se spusti pregloboko? Odgovor je preprost ker smo v oceanu zraka rojeni in ves čas živimo v njem. Tako je v votlih delih našega telesa zrak (pljuča, notranje uho ipd.) oziroma kri s približno enakim tlakom, kot je v ozračju. Kljub vsemu pa občutimo v ušesih spremembno zračnega tlaka, kadar se hitro dvignemo ali spustimo (npr. pri vožnji z gondolo).? Ali zdaj veš, zakaj nas pri potaljanju bolijo ušesa? Povzetek Tlak v tekočinah zaradi teže tekočine z globino narašča. V vodi se tlak vsakih 10 m poveča za 1 bar, zračni tlak pa se z 1 bara pri tleh do višine 5000 m zmanjša na polovico. Ljudje zračnega tlaka ne občutimo, občutimo pa hitre spremembe tlaka. Ponovi 1. Zakaj se tlak spreminja z globino? 2. Kako se tlak vode spreminja z globino? 3. Kolikšen je zračni tlak pri tleh? Razmisli Kako bi izmeril zračni tlak? Odgovori 1. Kolikšen tlak so morale zdržati sonde, ki so preiskovale razbitine Titanika na globini 3800 m?
6.3 Plavanje Ključne besede: poišči jih! V tem podpoglavju je namenoma izpuščen seznam ključnih besed, ki olajša iskanje po drugih virih. PRED BRANJEM: preglej, o čem bo govor MED BRANJEM: poišči ključne besede PO BRANJU: poišči ustrezne angleške izraze Titanik je bil tako izpopolnjena ladja, da se po zagotovilih inženirjev nikakor ne bi smel potopiti. A že na svoji prvi plovbi je po vsega nekaj dneh trčil v ledeno goro, ki mu je razparala bok. Ladjo je zalila voda in v vsej svoji mogočnosti je z več kot tisoč potniki pristala v globinah Atlantika. Kako je to mogoče? Katere snovi plavajo in katere ne? Naredi»preizkus plavanja«s še nekaj snovmi. Podrobna navodila najdeš na strani 15. Kaj plava in kaj ne? Kdor je lovil ribe s trnkom, ve, da svinčena utež na koncu laksa potone, plutovinasti plovec pa plava na površju. Zakaj nekatere snovi potonejo, druge pa ne? Lahko bi pomislili, da utež potone, ker ima večjo maso. A zakaj potem ne potone deblo, ki ima še večjo maso? Očitno je plavanje teles povezano s čim drugim. S poskušanjem ugotovimo, da potone tudi bakren kovanec, železen vijak, zlata verižica, plava pa košček stiropora, svinčnik, z zrakom napolnjena plastenka Če poiščemo naštete snovi v preglednici na straneh D4-D5, opazimo, da potonejo predmeti iz snovi, ki imajo večjo gostoto kot voda, plavajo pa predmeti iz snovi, ki imajo manjšo gostoto kot voda. 10 plavanje vzgon = teža vzgon teža? S kolikšno silo deluje kamen na dno? Sile vode so na zgornji strani kamna manjše kot na spodnji. potop vzgon < teža vzgon teža manjši tlak večji tlak! Telesa, ki imajo večjo gostoto kot tekočina, v kateri so, v njej potonejo. Zakaj določeni predmeti plavajo? Na vsa telesa na zemeljskem površju deluje teža navpično navzdol tudi na plovec, ki plava na vodi. Ker je plovec na vodni gladini v ravnovesju, mora nanj delovati sila, ki uravnovesi težo. To je sila vzgona ali kar vzgon, ki deluje na vsako telo, vsaj delno potopljeno v tekočini. Pri telesih, ki plavajo, je vzgon enak teži telesa, pri telesih, ki potonejo, pa je vzgon manjši od teže. A od kod vzgon? Vzgon je v resnici posledica naraščanja tlaka z globino. To najlažje razumemo, če si ogledamo sile na kamen, ki ga držimo pod vodo. Nanj poleg sile roke in teže deluje tudi tekočina. Ker tlak tekočine narašča z globino, so sile na spodnji strani kamna nekoliko večje kot na zgornji. Sile tekočine se med seboj torej ne izravnajo, temveč kaže njihova rezultanta navzgor - in to je vzgon.! Na telesa, ki so vsaj delno potopljena v tekočini, deluje vzgon navpično navzgor.
Lahko plavamo tudi v zraku? Ker je tudi zrak tekočina, je odgovor pritrdilen. Tako kot v vodi je tudi v zraku pogoj za plavanje gostota snovi. Ker pa ima zrak mnogo manjšo gostoto od večine snovi na Zemlji, v zraku ta pojav opazimo bolj poredkoma. Da tudi na telesa,»potopljena«v ozračju, deluje vzgon, nas prepriča otroški balon, napolnjen s helijem. Če ga otrok izpusti iz rok, se začne kljub teži gibati navzgor. Vzgon na balon je torej večji od teže in to zato, ker ima helij manjšo gostoto kot zrak. Vzgon s pridom izkoriščajo tudi balonarji pri poletih s toplozračnimi baloni, le da namesto helija uporabljajo kar segret zrak. Segret zrak v balonu ima namreč manjšo gostoto od okolnega zraka in lahko ponese balon skupaj s košaro in potniki. V začetku 20. stoletja, ko še ni bilo potniških letal, so se uveljavile tako imenovane zračne ladje (zepelini) velikanski baloni, napolnjeni z vodikom, ki so prevažali potnike. Arhimed Tudi tla pod nami plavajo Zemljina skorja je razdeljena na več litosferskih plošč. Nekateri deli plošč segajo tudi nad gladino in tvorijo kopno. In čeprav se zdi, da imamo pod nogami trdna tla, plošče v resnici plavajo na tekoči notranjosti Zemlje, saj so iz nekoliko redkejše snovi kot notranjost. Zaradi premikov plošč prihaja na stikih do potresov.? Zakaj imajo toplozračni baloni gorilnike? Ali lahko tudi železo plava? Kako je mogoče, da vijak potone, ladja pa ne, čeprav sta oba iz železa? Med njima je bistvena razlika ladja je votla in zavzame mnogo večjo prostornino kot kup železa z enako maso. V resnici je ladijski trup le tanka železna lupina, napolnjena z zrakom in tovorom. Zato ima ladja mnogo manjšo maso, kot če bi bila njena notranjost v celoti zapolnjena z železom. Njena gostota ali bolje rečeno povprečna gostota je manjša kot pri vijaku. Na podoben način tudi rešilni jopič zmanjša povprečno gostoto človeka, saj precej poveča prostornino, hkrati pa zelo malo prispeva k celotni masi. Toda če v ladjo vdre voda in zapolni trup, se teža ladje tako poveča, da je vzgon ne more več izravnati, in ladja potone. Povzetek Telesa, ki so redkejša od vode, plavajo v vodi, telesa, ki so gostejša od vode, pa v vodi potonejo. Plavanje zagotavlja sila vzgona, ki je posledica naraščanja tlaka zaradi teže tekočine. Tudi v zraku na telesa deluje vzgon. Ladje plavajo, ker so votle in je njihova povprečna gostota manjša od vode. Ponovi 1. Naštej nekaj snovi, ki so redkejše od vode, in nekaj snovi, ki so gostejše od vode. 2. Zakaj nekatera telesa plavajo in druga ne? 3. Posledica česa je vzgon? Pojasni. 4. Zakaj otrok z rokavčki ne potone? Razmisli Kolikšen tovor lahko nosi ladja oziroma balon?
6.4 Ozračje in vreme Ključne besede: ozračje troposofera vreme meteorologija učinek tople grede O vremenu in različnih vremenskih pojavih gotovo veliko veš, zato povezuj svoje znanje z novimi spoznanji. PRED BRANJEM: napiši, kaj že veš o vremenu MED BRANJEM: zapisuj, kaj si izvedel novega PO BRANJU: oba zapisa primerjaj med seboj Vreme je pogosta tema vsakdanjih pogovorov, saj ima velik vpliv na naše življenje vpliva na razpoloženje, kroji, kaj bomo počeli konec tedna... V skrajnem primeru je lahko tudi smrtno nevarno, zato je spremljanje in napovedovanje vremena za človeka zelo pomembno. vesolje 0,01 bar 0,1 bar stratosfera 40 km 30 km 20 km Kako visoko na nebu so oblaki? Omenili smo že, da Zemljo obdaja tanek sloj zraka, ki ga sestavljata predvsem dušik in kisik. Pomembno vlogo imajo tudi ogljikov dioksid (CO 2 ), vodna para in trdni delci, čeprav je njihov delež v ozračju majhen. Debelino ozračja je težko natančno določiti, saj je zrak z višino čedalje redkejši in postopno preide v vesolje. Na vrhu Mt. Everesta je na primer gostota zraka pol manjša kot ob morju. Za človeka je najpomembnejši spodnji sloj ozračja, ki mu pravimo troposfera in sega kakšnih 10 km visoko. V tem sloju se namreč»dogaja«vreme. 0,5 bar 1 bar troposfera 10 km gladina morja Kaj»poganja«vremenske pojave? Tako kot vsi drugi pojavi v vesolju so tudi vremenski pojavi povezani z energijo. Ta prihaja na Zemljo skoraj v celoti s Sonca. Tla in vodne površine prestrezajo sončno sevanje in se zato segrevajo. Zaradi nagiba sončnih žarkov je segrevanje najizrazitejše ob ekvatorju. Ob stiku s tlemi ali vodo se segreje tudi zrak in tako prejme energijo. šibkejše segrevanje 12 Vsak kvadratni meter tal prejme jasnem vremenu od sonca vsako sekundo več kot 1000 J energije. močnejše segrevanje
Kako nastane vreme? Vreme je stanje ozračja, ki ga opredeljujejo temperatura zraka, zračni tlak, vetrovi, oblačnost in padavine. Vse spremembe vremena so posledica temperaturnih razlik zaradi različnega segrevanja tal in oceanov. Vetrovi nastanejo, ko se segret zrak, ki je redkejši od hladnega, dviguje, na njegovo mesto pa pri tleh priteka hladnejši zrak. Veliko vremenskih pojavov je povezanih s padavinami. Te so del kroženja vode, ki se začne z izhlapevanjem površinske vode in nadaljuje z dvigovanjem ter ohlajanjem vodne pare, ki pri tem nastane. Na določeni višini se vodna para utekočini in nastanejo oblaki. Voda, ki tvori oblake, se prej ali slej v obliki padavin vrne na površje in vodni krog se sklene. Kako napovedujejo vreme? Znanost, ki proučuje vreme, se imenuje meteorologija. Za spremljanje razmer v ozračju in pomoč pri napovedovanju vremena meteorologi uporabljajo številne meteorološke postaje. Napovedovanje vremena močno olajšajo vremenski sateliti in zmogljivi računalniki. Kljub temu so razmere v ozračju zelo nepredvidljive in zato so vremenske napovedi zanesljive le za nekaj dni vnaprej. Povzetek Zemljino ozračje je sestavljeno predvsem iz dušika in kisika. Gostota zraka in tlak z višino padata in sta največja pri tleh. Vreme imenujemo stanje v spodnji plasti ozračja troposferi. Vsi vremenski pojavi in spremembe vremena izvirajo iz temperaturnih razlik, ki so posledica različnega segrevanja Zemljinega površja. Vreme spremljajo in napovedujejo meteorologi. Ponovi 1. Kakšna je sestava Zemljinega ozračja? 2. Kako se ozračje spreminja z višino? 3. Od kod ozračje dobiva energijo? 4. Kaj je vreme? Razmisli Kaj bi se zgodilo z vremenskimi pojavi, če bi nekega dne sonce prenehalo sijati? Odgovori 1. Zakaj potrebujejo alpinisti pri vzponih na najvišje vrhove dodaten kisik? 2. Ali imajo tudi drugi planeti ozračje? Človek s povečevanjem prometa, industrije in porabe energije čedalje bolj vpliva na vreme. S svojim delovanjem onesnažuje ozračja in spreminja njegovo sestavo, kar povzroča segrevanje ozračja. Posledice so taljenje ledu, pogostejši ekstremni vremenski pojavi, izginjanje določenih rastlinskih in živalskih vrst... Kaj se hitreje segreva? Počrnjeno plastenko vode daj na sonce. Podrobna navodila najdeš na strani 15. nižje temperature višje temperature Učinek tople grede Ogljikov dioksid (CO 2 ) v ozračju uravnava temperaturo planeta skozi ozračje namreč prepušča Sončevo sevanje, ne prepušča pa Zemljinega sevanja v vesolje. Zato se zrak podobno kot v topli gredi segreva. Na Marsu, kjer ogljikovega dioksida ni, so temperature okoli 20 C, na Veneri, kjer ga je preveč, pa okoli 500 C. Na Zemlji ga je zaradi človekovih aktivnosti čedalje več in temperatura ozračja počasi, a vztrajno narašča, kar že povzroča številne spremembe na Zemlji. 13
Povzetek in poskusi Tlak in gostota Pri ploskovno porazdeljenih silah moramo poleg velikosti, smeri in prijemališča pogosto upoštevati tudi površino, na kateri delujejo. Količino, ki opisuje razmerje med silo in ploščino, imenujemo tlak. Merimo ga z manometri in podajamo v Pascalih (Pa). Različne snovi pri enaki masi zavzamejo različno veliko prostornino. Gostota izraža razmerje med maso telesa in prostornino, ki jo telo zavzema. Merimo jo v kg m ali kg 3 3 dm in jo za večino snovi najdemo v tabelah. Tekočine Snovi v kapljevinastem in plinastem stanju imenujejo tudi tekočine. Mehansko stanje tekočin navadno opisujemo z gostoto in tlakom. Tlak zaradi zunanje sile je po vsej tekočini enak, tlak zaradi teže tekočine pa z globino narašča. V vodi tlak naraste za 1 bar vsakih 10 metrov. V ozračju nad morsko gladino znaša približno 1 bar, na višini 5000 m pa le polovico te vrednosti. Kolikšna je ploščina? Naloga: Določi ploščino z merjenjem in štetjem kvadratkov. Potrebščine: milimetrski papir, merilni trak, športni copati in smuči Potek dela: 1. Športni copat položi na milimetski papir in obriši podplat. 2. Preštej koliko kvadratnih milimetrov je površina podplata (bodi iznajdljiv!) 3. Izmeri dolžino smučke in njeno širino na začetku, na sredini in na koncu. 4. Približno izračunaj površino smučke. Razmisli: V katerih primerih lahko izračunaš površino telesa, kdaj pa jo moraš»prešteti«? Kakšne so sile v tekočinah? Naloga: Preveri, kakšne zakonitosti veljajo za sile v tekočinah. Potrebščine: balon in voda Potek dela: 1. V balon natoči vodo in ga zaveži. 2. Balon gneti med rokami in opazuj njegovo obnašanje. Odgovori: Kako se po tekočini širi zunanja sila oziroma tlak zunanje sile? Kolikšna je gostota kamna? Naloga: Izmeri gostoto kamna. Potrebščine: srednje velik kamen, gospodinjska tehtnica, merilna posoda in voda Potek dela: 1. S tehtnico izmeri maso kamna. 2. V merilno posodo do polovice nalij vodo in odčitaj, do kod sega voda. 3. V merilno posodo previdno spusti kamen in odčitaj, do kod sega voda. Razmisli: Kako boš iz izmerjenih vrednosti izračunal gostoto kamna? 14
Plavanje Telesa, ki imajo manjšo gostoto od tekočine v kateri so, v njen plavajo, telesa z večjo gostoto pa potonejo. Plavanje omogoča sila tekočine na potopljeno telo, ki ji pravimo vzgon. Vzgon je posledica naraščanja tlaka zaradi teže tekočine. Ozračje in vreme Zemljino ozračje je mešanica plinov, med katerimi prevladujeta dušik in kisik. Tlak v ozračju z višino hitro pada, z njim pa pada tudi gostota ozračja. Največje spremembe se dogajajo v spodnjem sloju ozračja, ki mu pravimo troposfera. Vreme opisuje trenutno stanje ozračja. Vreme spremljajo in proučujejo meteorologi. Ali se tlak spreminja z globino? Naloga: Ugotovi, ali je tlak odvisen od globine. Potrebščine: plastenka, plastična banjica, plastelin, škarje in voda Potek dela: 1. Na isti strani plastenke na različnih višinah s škarjami naredi luknjice. 2. S plastelinom zadelaj luknjice in plastenko do vrha napolni z vodo. 3. Plastenko postavi v banjico in odstrani plastelin z luknjic. Razmisli: Kaj opaziš in kako si to razlagaš? Katere snovi plavajo in katere ne? Naloga: Ugotovi, katere snovi plavajo in katere ne. Potrebščine: različni manjši predmeti (npr. plutovinast zamašek, matica ), dve sponki za papir, večja skleda in voda Potek dela: 1. V skledo približno do polovice nalij vodo. 2. V vodo spuščaj različne predmete (eno sponko prihrani). 3. Drugo sponko zelo previdno položi na gladino. Poveži:»plavanje«teles primerjaj z njihovo gostoto. Razišči: Zakaj sponka enkrat plava drugič pa ne? Pomagaj si z drugimi viri. Kaj se hitreje segreva? Naloga: Ugotovi, kako barva telesa vpliva na segrevanje. Potrebščine: dve pollitrski plastenki, kos alufolije, kos črnega krep papirja, termometer in voda Potek dela: 1. Eno plastenko obleči z alufolijo, drugo pa s črnim krep papirjem. 2. V obe plastenki nalij vodo in ju daj na sonce. 3. Vsakih nekaj minut izmeri temperaturo vode v obeh plastenkah. Meritve: po min po min po min srebrna plastenka črna plastenka 15
Ambrož Demšar, Đulijana Juričić, Vasja Kožuh in Valentina Mlakar Zakaj se dogaja? Sile in energija 8 PRILOGA UČBENIKA za fiziko v osmem razredu osnovne šole Izdala in založila: Založba Rokus Klett, d.o.o. Za založbo: Maruša Kmet Ilustracije: Matej DeCecco fotografije: ovitek rešilni obroč (Shutterstock) strani 2 in 3 plesalca (Istockphoto); krplje, sledovi v snegu, krvni tlak (Shutterstock) strani 4 in 5 živo srebro, kartonske škatle, plastenka, ključavnica, kozarec z vodo, aluminij, svinec, zlato (Shutterstock); medgalaktični prostor, nevtronska zvezda (NASA); balonček (Istockphoto) stran 6 in 7 penina, balon (Istockphoto); slap, srce (Shutterstock) stran 8 in 9 morsko dno, potapljač, barometer, dihala (Shutterstock) stran 10 in 11 Titanik (NGS); plovec, baloni (Shutterstock) stran12 in 13 vremenska napoved (POP TV); sončni žarki (Shutterstock); Zemlja (Istockphoto); tropska nevihta (NASA) stran 14 in 15 živo srebro, potapljač (Shutterstock); nevtronska zvezda, tropska nevihta (NASA); Titanik (NGS); deklici, ki izvajata poskuse (Iztok Bončina)