Twoja wyszukiwarka

KRZYSZTOF ERNST
FIZYKA ZABAWEK - ŁÓDKA NAPĘDZANA ŚWIECZKĄ
Wiedza i Życie nr 9/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/2000

Zbuduj, pobaw się, przy okazji poznaj trochę fizyki.

Rys. 1. Opatentowana w Anglii ponad 100 lat temu zabawka-łódka o nietypowym napędzie cieszy się do dziś dużym zainteresowaniem

Zabawka ta nie ma polskiej nazwy, a w innych krajach jest nazywana różnie - i zarazem podobnie. Mamy więc pop-pop, put-put, toc-toc, puf-puf itp. Jak można się domyślić, wszystkie nazwy naśladują dźwięk tej zabawki. Jest to łódeczka napędzana świeczką. Można ją łatwo i tanio zrobić samemu, a przy okazji poduczyć się fizyki. Zabawka została opatentowana w Anglii w 1897 roku. O zainteresowaniu, jakim się cieszy, może świadczyć fakt, że istnieją nawet stowarzyszenia jej miłośników, np. francuskie l'Association des Amateurs de Moteur Pop-pop liczy ponad 200 członków.

Zacznijmy od konstrukcji zabawki schematycznie pokazanej na ryc. 1. Niewielki, płaski i szczelny zbiornik przykryty jest cienką elastyczną membraną. Od dolnej jego części odchodzą jedna lub dwie rurki, każda o średnicy wewnętrznej kilku milimetrów, wyprowadzone na zewnątrz łódki w pobliżu rufy. Zakończenie rurki wychodzi nieco poniżej lustra wody. Kiedy zbiornik i rurkę wypełnimy wodą i zapalimy świeczkę pod nim, łódka po chwili zacznie płynąć, tak jak należy, dziobem do przodu. Równocześnie przykrywająca zbiornik membrana wprowadzona zostaje w drgania, dając wspomniane już efekty akustyczne.

Spróbujmy teraz wyjaśnić zaobserwowane efekty. Ogrzewanie zbiornika z wodą powoduje najpierw powstanie pary, a następnie wzrost jej temperatury i panującego w nim ciśnienia. Część wytwarzanej pary skrapla się następnie w rurce, która pozostaje cały czas zimna. Rosnące w zbiorniku ciśnienie wypycha wodę przez rurkę do wody otaczającej łódkę. Drgania membrany związane są z powtarzającymi się na przemian wypychaniem ze zbiornika podgrzanej wody i zasysaniem z zewnątrz wody zimnej.

Oscylacyjne ruchy wody w rurce mają w przybliżeniu charakter sinusoidalny. Mimo przepływu pary przez rurkę, w samym zbiorniku przez cały czas pozostaje zazwyczaj sporo wody, która gromadzi się przede wszystkim przy jego ściankach. Ilość wody w zbiorniku zależy od intensywności jego ogrzewania. Nadmierne może spowodować całkowite opróżnienie zbiornika i rurki, więc oscylacja zaniknie. Przy dobraniu odpowiedniej szybkości ogrzewania, regulowanej wielkością płomienia, oscylacje mogą trwać bardzo długo, nawet ponad godzinę, aż do wypalenia się świecy. Częstość oscylacji maleje w zasadzie wraz ze wzrostem objętości zbiornika. Od czasu do czasu zbiornik opróżnia się całkowicie z wody, co nie powoduje wcale utraty napędu. Kiedy ciśnienie wypełniającej go pary spada poniżej pewnej, krytycznej wartości, woda gwałtownie wypełnia zbiornik ponownie i rozpoczyna się nowy cykl oscylacji.

Przedstawiona zasada działania łódki wyjaśnia nam tajemnice jej napędu. Dociekliwy czytelnik może jednak postawić w pełni uzasadnione pytanie: dlaczego łódka posuwa się cały czas do przodu, mimo że kierunek strumienia zmieszanej z parą wody zmienia się?

Rozumowanie uwzględniające zasadę symetrii zachodzących procesów może sugerować, że strumień wypychany na zewnątrz powinien powodować ruch łódki do przodu, podczas gdy strumień zasysany do wewnątrz powinien być źródłem napędu wstecznego. Rozumowanie takie, mimo pozornie przekonującej argumentacji, jest jednak błędne, a ściślej mówiąc - prawdziwa jest tylko jego pierwsza część. Strumień wody i pary wydobywający się na zewnątrz rzeczywiście powoduje, na zasadzie odrzutu, ruch łódki do przodu. Zjawisko to, wynikające z trzeciej zasady dynamiki, jest powszechnie znane i stanowi podstawę wszelkiego rodzaju napędów odrzutowych. Mogłoby się zatem wydawać, że przeciwny ruch strumienia w rurkach powinien na tej samej zasadzie odpychać łódkę do tyłu. Tak się jednak nie dzieje, bo nie mamy tu ściśle ukierunkowanego strumienia wody przed jego wpłynięciem do rurki: woda zasysana jest przez otwór wylotowy ze wszystkich stron.

Odwołajmy się tutaj do innego przykładu potwierdzającego nasz ostatni wniosek. Przyjrzyjmy się uważnie urządzeniu przedstawionemu na ryc. 2. Jest nim zamknięta czasza, podparta na ostrzu w środku podstawy, z dwiema wystającymi z niej rurkami zakończonymi wygięciami i przewężeniami. Kiedy ciśnienie w czaszy przewyższa ciśnienie zewnętrzne, układ, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki, zaczyna się obracać. Odwrócenie stosunku ciśnień nie prowadzi, wbrew oczekiwaniom, do obrotu czaszy w przeciwną stronę. Układ dąży oczywiście do wyrównania ciśnień po obu stronach otworu wlotowego rurki, co powoduje przepływ powietrza do wnętrza czaszy. Jest ono jednak zasysane ze wszystkich możliwych kierunków, bez wyraźnego uformowania i jednoznacznie określonego kierunku pędu, jak to miało miejsce przy wypływie powietrza z rurek.

Rys. 2. Czasza demonstrująca zjawisko jednokierunkowego napędu wynikającego z różnicy ciśnień

A teraz mała dygresja. Wykorzystując te rozważania, spróbujmy pokusić się o odpowiedź na pytanie, nie związane wprawdzie z naszą łódką, ale stawiane często w formie zabawnej zagadki ilustrującej jedno z podstawowych praw fizyki. Oto ono: w jaki sposób człowiek, pozbawiony możliwości korzystania z jakiegokolwiek źródła napędu, mógłby posuwać się po lodzie w wyidealizowanych warunkach, tzn. gdyby nie było żadnego tarcia pomiędzy nim a lodem? Na początku, jak wiadomo, możemy wymóc ruch, odrzucając od siebie wszystko, co mamy przy sobie i na sobie. A co potem? Otóż wystarczy po prostu oddychać, utrzymując twarz skierowaną w stronę przeciwną do zamierzonego kierunku ruchu. Zgodnie z przedstawionym wyżej rozumowaniem, wydech jest źródłem napędu, wdech natomiast być nim nie może.

Po tej dygresji wróćmy do naszej łódki. Prędkością, z jaką może się ona poruszać, jest rzędu 10 cm/s lub niewiele większa. Musimy bowiem zdać sobie sprawę, że świeczkowy napęd jest z praktycznego punktu widzenia mało efektywny. Stąd też sprawność takiej łódki, będąca stosunkiem energii uzyskanej do włożonej, nie przekracza 10%. Tak niska sprawność termodynamiczna jest konsekwencją niewielkiej różnicy temperatur wytwarzania pary i jej kondensacji.

Oryginalność napędu była powodem poddawania łódki najróżniejszym testom i modyfikacjom. Okazało się np., że przykrycie zbiornika sztywną pokrywą z pleksi, zamiast cienkiej i elastycznej blaszki miedzianej, niczego nie zmienia w sposobie płynięcia łódki, czyni ją jedynie znacznie cichszą. Nic nie daje również zatykanie rurki w chwili, kiedy łódka jest już w ruchu.

Sama zabawka, napędzana tak nietypowo, kryje w sobie jeszcze wiele nie odkrytych tajemnic. Starają się je zgłębiać członkowie stowarzyszenia jej miłośników. Polecamy ją dociekliwym czytelnikom obdarzonym żyłką majsterkowania. Zabawki do tej pory nie udało mi się kupić w żadnym polskim sklepie. Aby łódkę badać, bawiąc się przy tym fizyką, musimy najpierw ją sobie zbudować. Zapewniam, że nie jest to takie trudne.

Od redakcji: W cyklu tym ukazały się już następujące artykuły prof. Ernsta: "Magia kalejdoskopu" WiŻ nr 3/2000, "Latawce" nr 9/1999, "Szaleństwo na linie" nr 8/1999, "Wiecznie spragniony ptak" nr 8/1998, "Tajemniczy kij indiański" nr 8/1995, "Bumerang" nr 8/1994.

Prof. dr KRZYSZTOF ERNST pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. W wydawnictwie Prószyński i S-ka ukaże się niebawem jego książka o fizyce zabawek, gier i zabaw.