Tento fyzický fenomén, známý jako" bashilinův efekt", nás ohromuje svou neobvyklostí a přitahuje pozornost výzkumníků z celého světa. Ten spočívá v tom, že když tekutina vyteče z uzavřené nádoby, začne se pomalu a postupně otáčet. Proč se to tedy děje?
Jak se ukázalo, příčinou tohoto jevu je, že vytékající kapalina s sebou bere část momentu hybnosti systému, což vede k rotaci nádoby. Mechanismus práce je poměrně složitý a vyžaduje znalost základů fyziky, ale lze to zkusit vysvětlit obecně.
Když tekutina začne vytékat z nádoby, dojde k tlakovému rozdílu mezi horní a spodní částí nádoby, což má za následek sílu směřující podél osy nádoby. V důsledku této síly dochází k rotaci nádoby.
Jak funguje fyzický proces?
Fyzický proces, při kterém se nádoba zavěšená na niti začne otáčet, když voda vytéká, se nazývá Coriolisův efekt. Tento efekt vzniká rotací Země a mění směr toku vody.
Když voda začne vytékat z otvoru nádoby, pohybuje se v přímce. V důsledku rotace Země se však únikový bod na zemském povrchu pohybuje rychleji než voda, což způsobuje, že voda zaostává ve svém pohybu. To způsobí, že se směr pohybu vody vůči zemi změní a stane se křivočarým.
Změna směru pohybu vody má vliv na nádobu zavěšenou na niti. Když voda vyteče, tok získá spirálový tvar a nádoba se začne otáčet na opačnou stranu od směru toku vody. To je způsobeno zachováním momentu hybnosti systému-když se změní směr pohybu toku vody, třecí síly způsobí rotaci nádoby.
Coriolisův efekt je důležitý pouze při pohybu velkých objemů vody nebo plynu na velké vzdálenosti. V každodenním životě není obvykle patrný. Při provádění experimentů nebo v případě velkých systémů se však Coriolisův efekt může stát významným.
Proč voda vytéká z nádoby?
Voda vytéká z nádoby kvůli zákonu zachování momentu hybnosti. Když voda začne vytékat, vytvoří proud, který má určité množství impulsu. Nádoba, ve které je voda, má také určité množství impulsu. Když voda vytéká, přenáší puls do nádoby jako reaktivní pohyb, což způsobuje její rotaci.
Tento proces je založen na principu akce a odporu. Když voda vyteče, začne se pohybovat dolů a způsobí reaktivní pohyb v opačném směru u nádoby. Zákon zachování momentu hybnosti vyžaduje, aby součet okamžiků hybnosti systému zůstal nezměněn. Aby se tedy zachoval moment hybnosti, nádoba se začne otáčet na opačnou stranu.
Únik vody z nádoby tedy vede k její rotaci, protože pohyb vody způsobuje opačný reaktivní pohyb v nádobě podle zákona zachování momentu hybnosti.
Proč se nádoba začíná otáčet?
Účinek rotace nádoby při vytékání vody je vysvětlen příčinou známou jako Coriolisův efekt. Coriolisův efekt je způsoben rotací Země a ovlivňuje pohyb všech těles, včetně vody. Když voda vytéká z nádoby na vlákna, voda získává určitou úhlovou rychlost kolem svislé osy. To je způsobeno tím, že vertikální osa rotace nádoby zůstává nehybná a samotná nádoba je velmi lehká a může být vystavena větru nebo malým silám.
Když tedy voda začne vytékat z nádoby, získá okamžik síly, který vzniká Coriolisovým efektem. Tento moment síly vede k rotaci celého systému, včetně nádoby, kolem svislé osy. V důsledku toho se nádoba začne otáčet.
Proč se nádoba chová tak?
Nádoba zavěšená na niti se začne otáčet, když z ní vytéká voda. Tento jev je vysvětlen zákonem zachování momentu hybnosti.
Když voda začne vytékat z nádoby, získá určitou rychlost, což znamená, že má hybnost. Nádoba spolu s vodou, která v ní zůstala, má také svůj impuls, protože celá nádoba je stlačena a pohybuje se spolu s kapalinou dolů.
Protože je však nádoba zavěšena na niti a nemá oporu, může se volně otáčet kolem své osy. Při vytékání vody by měl být zachován moment hybnosti systému (nádoba + voda).
Kvůli tomu, aby se zachoval moment hybnosti, nádoba se začne otáčet na opačnou stranu. Vzhledem k tomu, že voda při vytékání má určitou hmotnost a rychlost, je její hybnost výrazně větší než hybnost zbývajícího objemu vody v nádobě.
Nádoba se tak chová kvůli zákonu zachování momentu hybnosti-při vytékání vody z nádoby, aby se zachoval celkový moment hybnosti systému, se nádoba začne otáčet na opačnou stranu.
Role zákona zachování momentu hybnosti
Při studiu rotace nádoby zavěšené na niti při vytékání vody hraje důležitou roli zákon zachování momentu hybnosti. Pro pochopení tohoto zákona je nutné zvážit základní pojmy související s úhlovým pohybem.
Moment hybnosti je veličina, která charakterizuje schopnost tělesa provádět rotační pohyb kolem osy. Je definován součinem momentu síly na vzdálenost od osy rotace k bodu aplikace této síly. Moment hybnosti je vyjádřen v n * m (newtonmetry).
Zákon zachování momentu hybnosti tvrdí, že v rotačním systému, ve kterém nepůsobí vnější momenty sil, zůstává úhlový moment tělesa konstantní po celou dobu pohybu.
V případě nádoby zavěšené na niti při vytékání vody existují dva faktory, které podporují rotaci:
- Gravitační moment síly. Rotace se provádí pod vlivem gravitace, která je aplikována na těžiště nádoby a působí svisle dolů.
- Moment setrvačnosti. Moment setrvačnosti tělesa určuje jeho Rotační setrvačnost a závisí na jeho tvaru a rozložení hmotnosti vzhledem k ose rotace. Čím větší je Moment setrvačnosti, tím menší je úhlová rychlost a naopak.
Když voda začne vytékat z nádoby, dojde ke změně momentu setrvačnosti systému: se sníženou vzdáleností od osy otáčení k bodu aplikace síly se voda začne pohybovat rychleji, což má za následek zvýšení úhlové rychlosti a tím i zvýšení momentu hybnosti.
V důsledku toho zákon zachování momentu hybnosti vyžaduje kompenzaci změny momentu setrvačnosti, která se provádí otáčením nádoby na opačnou stranu. To vytváří rotaci nádoby, když voda vytéká, a udržuje systém v dynamické rovnováze.
Zákon zachování momentu hybnosti hraje důležitou roli nejen při pochopení rotace nádoby při vytékání vody, ale také při řešení mnoha dalších problémů souvisejících s úhlovým pohybem těles.
Role zákona zachování energie
Když voda vyteče z nádoby, energie systému nezmizí, ale jednoduše se přemění. V počátečním okamžiku má systém potenciální energii, která je spojena s výškou polohy nádoby. Když voda začne vytékat, tato potenciální energie se začne přeměňovat na kinetickou energii rotace nádoby.
Abychom tomuto procesu porozuměli, lze si představit nádobu zavěšenou na niti jako matematické kyvadlo. Při začátku odtoku voda působí na nádobu silou směřující k zastavení odtoku. Ale protože systém musí šetřit energii, tato síla způsobuje rotaci nádoby.
Zákon zachování energie také vysvětluje, proč se nádoba začíná otáčet na jednu stranu. Rotace probíhá v opačném směru než odtok vody. To je způsobeno skutečností, že když voda uniká, získává další kinetickou energii a nádoba ztrácí část své potenciální energie. V důsledku toho se systém snaží zajistit zachování celkové energie a způsobuje rotaci nádoby na opačnou stranu.
Zákon zachování energie tedy hraje důležitou roli při vysvětlování rotace nádoby při vytékání vody. Tento zákon potvrzuje, že energie nezmizí, ale je přeměněna z jedné formy na druhou, což zajišťuje pohyb a rotaci nádoby.