Witamy w kolejnym odcinku, w którym postanowiliśmy podjąć wyzwanie i wagać powietrza. Do eksperymentu wykorzystaliśmy specjalną komorę próżniową oraz precyzyjną wagę sklepową. Naszym celem jest nie tylko potwierdzenie faktu, że powietrze waży, ale także sprawdzenie, czy możliwe jest zbudowanie statku powietrznego opierającego się na próżni.
Przygotowanie do pomiaru
Zanim zaczniemy, musimy dokładnie poznać nasze narzędzia. Komora ma wymiary wewnętrzne 30 na 30 na 30 centymetrów, co daje objętość 27 litrów. Nasza waga potrafi mierzyć obiekty do 30 kilogramów z dokładnością jednego grama. Na podstawie gęstości powietrza obliczyliśmy, że masa 27 litrów powietrza powinna wynosić około 35 gramów. Ponieważ nie jesteśmy w stanie usunąć 100% powietrza, zakładamy, że różnica na wadze wyniesie około 33 gramów.
Pierwszy pomiar z powietrzem
Postawiliśmy komorę na wadze i zanotowaliśmy początkowy wynik. Urządzenie jest bardzo lekkie i łatwe do przenoszenia, co ułatwia przeprowadzanie eksperymentów w terenie. W tej fazie komora jest wypełniona powietrzem i wskazuje jej całkowitą masę. Zastanawialiśmy się, czy lepiej zostawić komorę na wadze i włączyć pompę na żywo, ale gruba rura podłączona do komory mogłaby zniekształcić wynik, dlatego zdecydowaliśmy się na pomiar wstępny.
Usuwanie powietrza z komory
Następnie podłączyliśmy rury do pompy i zaczęliśmy usuwać powietrze z wnętrza komory. Po odłączeniu pompy i usunięciu rury, wrzuciliśmy komorę z powrotem na wagę. Wynik był zaskakujący – wskazania zmalały o około 30 gramów. Eksperymentalnie dowiedzieliśmy się, że powietrze faktycznie ma masę, co potwierdziło nasze teoretyczne obliczenia.
Zasada działania siły wyporu
Warto zrozumieć, dlaczego komora próżniowa nie unosi się w powietrzu mimo braku wewnątrz powietrza. Zjawisko to wyjaśnia zasada Archimedesa i pojęcie siły wyporu. Gdy obiekt znajduje się w cieczy lub gazie, wypiera on pewną ilość medium. Siła wyporu jest równa wadzie wypartego medium. W przypadku komory w powietrzu, waga wypartego powietrza jest mniejsza niż waga samej komory, więc obiekt opada.
Porównanie z balonem wypełnionym gazem
Sytuacja zmienia się drastycznie, gdy porównujemy to z balonem wypełnionym heliem lub wodorem. Balon unosi się, ponieważ gaz wewnątrz jest lżejszy od otaczającego powietrza. Jeśli jednak wewnątrz balonu byłaby próżnia, siła wyporu byłaby maksymalna, ponieważ wyparłoby się powietrze o największej możliwej masie. Jednak w praktyce próżnia w balonie nie jest stabilna i materiał balonu by się rozpręczył.
Próżnia jako idealny wypełniacz
Próżnia wydaje się być doskonałym wypełniaczem dla statków powietrznych, jeśli tylko nie rozważamy problemów z wytrzymałością materiału. Jest lżejsza od helu, wodoru i każdego innego gazu. Dodatkowo nie wymaga magazynowania ani transportu, a jej koszt jest zerowy. W przeciwieństwie do wodoru, nie jest substancją zapalną, co czyni ją bezpieczniejszą z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego.
Wymagania techniczne dla statku próżniowego
Aby taki statek mógł unosić się, musiałby być szczelny i wytrzymały na ogromne różnice ciśnień. Potrzebujemy jedynie pompy, które będą utrzymywać próżnię, co jest znacznie prostsze niż transportowanie zapalnego wodoru. Jednak technologiczne wyzwania związane z budową takich konstrukcji są obecnie bardzo duże. Nasz prosty eksperyment pokazuje tylko podstawową zasadę fizyki, a nie gotowy projekt statku.
Podsumowanie eksperymentu
Podsumowując, nasz eksperyment udowodnił, że powietrze ma masę, co jest często pomijane w codziennym życiu. Różnica w wadze przed i po usunięciu powietrza była wyraźnie widoczna i zgodna z obliczeniami. Choć próżnia jest teoretycznie najlżejszym stanem materii, jej zastosowanie w lotnictwie wymaga rozwiązywania problemów z wytrzymałością materiałów. Mamy nadzieję, że ten prosty pomiar pomógł Wam zrozumieć zasady fizyki lepiej.
Co dalej z badaniami?
W przyszłości możemy spróbować zmierzyć wpływ różnych gazów na wagać komory, aby zobaczyć różnice w ich masie. Eksperymenty te są doskonałym sposobem na naukę w domu lub w szkole. Zachęcamy do samodzielnych prób z wagą i komorami próżniowymi, które są dostępne w sklepach z artykułami laboratoryjnymi. Pamiętajcie, że nauka często zaczyna się od prostych obserwacji i pomiarów.