Zimní procházky nám poskytnou spoustu radostných okamžiků-ledové barvy přírody, praskající sníh pod nohama a samozřejmě kuličky, které se tak rády baví dospělí i děti. Často se však v mrazu setkáváme s nepříjemným jevem-kulička začne foukat a ztrácí svůj tvar. Co je příčinou tohoto jevu a jakou roli v tom hraje fyzika?
Jde o jednoduchý fyzikální zákon-Joule-Thomsonův zákon. Podstata tohoto jevu je následující: když plyn prochází zúžením, jeho teplota klesá. To je způsobeno změnou rychlosti a směru molekul plynu. Při vstupu plynu do oblasti s nižším tlakem dochází k expanzi plynu, a proto jeho teplota klesá.
Právě na tomto principu fungují kuličky. Vzduch uvnitř koule se zahřívá z našeho těla a poté, když je natažen, jeho tlak klesá a v důsledku toho dochází ke snížení jeho teploty. Když se koule zahřívá ze slunce nebo z tepla našich rukou, plyn uvnitř se rozpíná a jeho teplota klesá. A pak přijde mrazivý vzduch, který už je sám o sobě studený. Při kontaktu se studeným vzduchem dochází k ještě většímu ochlazování vzduchu uvnitř koule.
Není tedy divu, že se balónek v mrazu rychle vyfoukne.
Proč balónek v mrazu fouká?
Když se koule dostane do mrazivého počasí, začne foukat kvůli několika fyzickým faktorům. Za prvé, při nízké teplotě se plyn, který je uvnitř koule, začíná smršťovat, protože jeho molekuly si navzájem přenášejí energii a pohybují se pomaleji. V důsledku toho se tlak uvnitř koule sníží a začne se smršťovat.
Za druhé, guma, ze které je kulička vyrobena, se při nízkých teplotách stává méně elastickou. To znamená, že nemůže odolat kompresi, takže kulička ztratí svůj tvar a začne foukat.
Za třetí, při nízké teplotě může voda, kterou lze nafouknout kuličky, zmrznout a proměnit se v LED. LED může zabírat více místa než voda, a proto může způsobit deformaci koule a její vyfouknutí.
Kombinace stlačení plynu uvnitř koule, změny elasticity gumy a zmrazení vody tedy všechny dohromady způsobí, že kulička v mrazu odfoukne.
Fyzika jevů a příčin
Jev foukání kuličky v mrazu je způsoben několika fyzikálními procesy, které se vyskytují uvnitř koule.
Jedním z důvodů je stlačení plynu uvnitř koule. Při poklesu teploty molekuly plynu zpomalují svůj pohyb, a proto dochází ke snížení tlaku na úrovni mikroskopických částic. To způsobí, že vzduch zevnitř koule začne tlačit na její stěny, což způsobí smrštění koule a její vyfouknutí.
Venkovní prostředí navíc přispívá i k vyfouknutí kuličky v mrazu. Při nízkých teplotách se vnější vzduch smršťuje, což vede ke snížení jeho objemu. V důsledku toho se tlak venkovního vzduchu zvýší nad tlak vzduchu uvnitř koule. To způsobí smrštění koule a její vyfouknutí.
Za zmínku také stojí, že materiál, ze kterého je kulička vyrobena, může ovlivnit její chování v mrazu. Některé materiály jsou náchylnější k smršťování a vyfukování pod vlivem nízké teploty. To je způsobeno různým stupněm tepelné vodivosti a smršťovací schopností materiálu.
Takže vyfukování koule v mrazu je výsledkem společného působení několika fyzikálních procesů: stlačení plynu uvnitř koule, změny tlaku venkovního vzduchu a vlastností materiálu koule. Jedná se o zajímavý jev, který názorně demonstruje interakci mezi termodynamikou a mechanikou.
Atmosférický tlak a teplota
Vzduch, který obklopuje naši planetu, na ni vyvíjí konstantní tlak, který se nazývá atmosférický tlak. Velikost atmosférického tlaku závisí na mnoha faktorech, včetně nadmořské výšky a složení atmosféry. Atmosférický tlak je obvykle kolem 101325 Pa nebo 760 mm rtuťového sloupce.
Se změnou teploty atmosférického vzduchu se mění i jeho objem. S rostoucí teplotou se vzduch rozšiřuje, stává se méně hustým a jeho tlak klesá. Při poklesu teploty se vzduch smršťuje, stává se hustším a jeho tlak se zvyšuje. Tento fyzikální zákon vysvětluje, proč se koule vyfukuje v mrazu.
Když se koule nafoukne, vnitřní tlak vzduchu v ní se stane větším atmosférickým tlakem a zachová si svůj tvar. Při poklesu venkovní teploty se však objem vzduchu v kouli zmenšuje, jeho hustota se zvyšuje a vzduch začíná unikat molekulami latexu nebo jiného materiálu, ze kterého je kulička vyrobena. V důsledku toho se koule odfoukne.
Je třeba poznamenat, že nejen mráz může způsobit vyfouknutí koule. Zvýšený atmosférický tlak, například při výstupu do hor, může také způsobit vyfouknutí koule, protože tlak uvnitř koule zůstává konstantní a vnější tlak se zvyšuje.
Rozdíl v tlaku uvnitř a vně koule
Na druhou stranu vnější podmínky se vyznačují vyšším tlakem. Vzduch na vnější straně koule zůstává studený a má vyšší hustotu, takže jeho tlak zůstává vyšší. Tímto způsobem vzniká tlakový rozdíl mezi vzduchem uvnitř a vně koule.
Kvůli rozdílu v tlaku začne vnější vzduch stlačovat kuličku a snaží se vytvořit rovnováhu. V důsledku tohoto procesu se koule stává méně nafukovací a měkkou. Pokud je tlakový rozdíl dostatečně velký, kulička může dokonce úplně odfouknout.
Při nízkých teplotách se navíc materiál, ze kterého je kulička vyrobena, stává tvrdším a méně pružným. Může také přispět k vyfouknutí koule v mrazu.
Studium rozdílu tlaku uvnitř a vně koule v mrazu je důležité pro pochopení fyzikálních procesů, ke kterým dochází s plyny při změně teploty. Tento jev lze také uplatnit v různých praktických oblastech, například v aerodynamice a průmyslu.