Jesteś tutaj

Fizyczne lanie wody

  • woda z butelki

Co się stanie z otwartą butelką wody mineralnej, gdy odwrócimy ją góry dnem? Jeżeli wciąż działa grawitacja, woda powinna się z niej wylewać, radośnie chlapiąc na boki. Czy można jednak w jakiś sposób nakłonić wodę, aby wylewała się z odwróconej butelki grzecznie, regularnie i w równych odstępach czasu? Okazuje się, że można! Pora na intrygujący domowy eksperyment.

Butelki w dłoń i do dzieła!

Potrzebne nam będą dwie plastikowe butelki, kawałek elastycznej rurki, słomka do napojów i woda. Na początku należy w denkach butelek zrobić otwór i połączyć je rurką tak, jak to zostało pokazane na rysunku po lewej. Połączenie powinno być szczelne, więc przyda nam się kawałek plasteliny. Następnie w zakrętkach butelek należy zrobić małe otworki, przez które trzeba przełożyć kawałki słomek do napojów. Najlepiej jest użyć grubych słomek (średnica 6 mm lub większa) dociętych do długości około 5 cm. Połączenie zakrętki i słomki również należy uszczelnić, np. plasteliną.

Teraz możemy przejść do właściwej części eksperymentu. Do obu butelek nalewamy wodę, zamykamy zakrętkami wyposażonymi w słomki i obracamy do góry nogami tak, aby rurka połączeniowa była pusta (rysunek u góry po lewej stronie). Ponieważ nakrętki są dziurawe to, rzecz jasna, woda zacznie się z butelek wylewać, ale, co ciekawe, nie w jakiś chaotyczny sposób, ale bardzo regularnie. Co więcej, wylewanie się wody z obu butelek będzie IDEALNIE zsynchronizowane ze sobą i zawsze będzie następować w tych samych odstępach czasu dokładnie w tym samym momencie. Zresztą popatrzcie sami:

 

Jeżeli jesteście naprawdę zakręconymi fizykami, to powinniście w tym momencie wpaść w samouwielbienie. Otrzymaliście bowiem domowym sumptem dwa sprzężone ze sobą układy drgające o dobrze zdefiniowanej częstotliwości wylewania się wody. Co jest w tym takiego nadzwyczajnego? Po pierwsze to, że w naszym codziennym życiu takie układy występują raczej rzadko. A po drugie takie regularne wylewanie się wody po prostu fajnie wygląda.

Czas na małą modyfikację

Powtórzmy teraz ten sam eksperyment, ale w nieco zmodyfikowanej postaci. Tym razem po napełnieniu układu wodą, wlejemy do naszej rurki łączącej butelki odrobinę wody. Co oznacza „odrobinę”? Ano trzeba na oko tak, aby utworzył się w rurce „wodny korek” (rysunek u góry po prawej). Podobnie jak wcześniej obracamy butelki do góry nogami i... niespodzianka – tym razem wylewanie się wody wygląda zupełnie inaczej:

 

Woda z wylewa się z butelek naprzemiennie! Jak jedna popuszcza, to druga w tym czasie nabiera powietrza. Wystarczyła zatem niewielka ilość wody w rurce, aby z idealnej synchronizacji butelek w fazie (wylewanie następuje razem) otrzymać idealną synchronizację w przeciwfazie (wylewanie naprzemienne).

Oczywiście zasadne w tym miejscu jest pytanie: dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź na nie od niedawna (a dokładnie od roku 2007) jest znana, ale postanowiliśmy przyjąć wredną postawę w stylu „wiemy ale nie powiemy” i przemilczymy tę kwestię. W zamian proponujemy małe ulepszenie opisanego wyżej doświadczenia.

Trzy butelki, czyli wyższa szkoła jazdy (tylko dla odważnych)

Rozważmy teraz ciekawszy, bardziej skomplikowany przypadek. Wyobraźmy sobie nie dwie, a trzy plastikowe butelki z wodą połączone każda z każdą rurkami. Każda z rurek może być pusta lub częściowo wypełniona wodą. Butelki są takie same, więc możemy je połączyć na cztery różne sposoby. Po pierwsze wszystkie rurki mogą być puste. Druga możliwość jest taka, że tylko w jednym połączeniu będzie woda. W trzecim wariancie wodę możemy wlać do dwóch dowolnie wybranych rurek. Ostatnia możliwość natomiast przewiduje, że woda znajdzie się we wszystkich połączeniach.

Łatwo się domyślić, że gdy wszystkie trzy rurki połączeniowe będą puste, woda z butelek będzie wylewać się w tych samych momentach. Widzieliśmy to już dla przypadku dwubutelkowego i bez trudu można sobie to również wyobrazić dla trzech butelek.

Zastanówmy się jednak co się stanie, gdy w każdej z trzech rurek będzie znajdował się „wodny korek”. Z przykładu dwubutelkowego wiemy, że wylewanie wody powinno następować naprzemiennie. Po chwili namysłu można jednak stwierdzić, że o ile jest to łatwe dla dwóch butelek, dla trzech jest już niemożliwe. Zawsze bowiem trzecia butelka będzie miała zgryz: w którym momencie powinnam popuścić nieco wody? Gdy wyleję ją w momencie nabierania powietrza przez pierwszą butelkę, to akurat będzie to ten sam moment, w którym wylewa się woda z butelki drugiej. No ale przecież względem każdej mojej towarzyszki powinnam popuszczać wodę w naprzemienny sposób! Jak to zrobić?!

Opisaną wyżej sytuację fizycy nazywają frustracją. Co nieco pisał już o niej Wojtek w innym fiztaszku. Tym razem jednak radzimy się nie frustrować i samemu eksperymentalnie sprawdzić co zrobi trzecia butelka. Czy popuści nieco wody? A jeżeli tak, to w którym momencie? Aha, i nie szukajcie tego na youtube - nikt filmu z takiego eksperymentu jeszcze nie nakręcił.

Więcej do poczytania:

Serdeczne podziękowania dla Sylwii Lewickiej za rysunki butelek.

Polscy eksperci od butelek (aktualizacja wrzesień 2015)
Okazuje się, że opisane przez nas w 2013 roku zagadnienie jest wciąż badane i doczekało się się solidnych pomiarów i analiz. Miło jest nam poinformować, że jest to zasługą młodych polskich licealistów - Michała Bączyka z Ostrowii Mazowieckiej i Pawła Czyża z Nadarzyna. Nie tylko rozwiązali oni problem trzech połączonych oscylatorów butelkowych, ale również pokazali, że dotychczasowa teoria opisująca pojedynczy oscylator, którą znaleźć możemy w powyżej cytowanych artykułach, jest mocno niedoskonała. Zaproponowali oni nowy model teoretyczny, który o wiele lepiej opisuje wylewanie się wody z butelki. Ich badania spotkały się już z uznaniem, co poskutkowało pierwszym miejscem i złotym medalem w tegorocznym Konkursie Prac Młodych Naukowców Unii Europejskiej. Nie ukrywamy, że całe Fiztaszki są z tego powodu bardzo dumne :) Z niecierpliwością czekamy na opublikowanie najważniejszych wyników, a jak tylko owa publikacja się pojawi, nie omieszkamy oznajmić o tym na naszej stronie. 

 

  • Obrazek użytkownika krupinski
    O autorze:

    Michał Krupiński

    Redaktor naczelny fiztaszki.pl, kierownik Fiztasz Research Center
    Fiztaszkowiec doświadczalny. Na co dzień nanosi cienkie warstwy metali na wszystko co popadnie. Po godzinach pasjami oddaje się eksperymentom kawiarniano-kuchennym.

Komentarze

Obrazek użytkownika Jarek

Wszystkie trzy artykuły są niestety poza zasięgiem śmiertelników.
Trochę torturowanie spragnionych wiedzy :P (a i ja musiałbym się natrudzić by dostać się do tych artykułów, w związku z bardzo niewygodnym sposobem udostępniania ich studentom na PWR).
Tu zdaje się, że można znaleźć zarys rozwiązania dla problemu dwóch butelek: http://www.researchgate.net/publication/32153933_Plastic_bottle_oscillat...
Pozdrawiam

Obrazek użytkownika krupinski

No cóż, też nad tym boleję, że większość artykułów o ciekawej zawartości naukowej nie jest open access. Pisząc tego fiztaszka uznałem jednak, że lepiej podać jakiekolwiek odnośniki, pokazujące, że ktoś się tym problemem zajął, niż niczego nie podawać, udając, że zagadnienie jest nowe. Może jednak komuś te nawiązania do publikacji się przydadzą? Fiztaszki nie mają na celu torturowania ludzi sprawgnionych wiedzy, naprawdę :)

Dzięki za dodatkowy link. Jest rzeczywiście bardzo ciekawy, no i co najważniejsze, dostępny dla wszystkich.

Obrazek użytkownika ca1ek

Możliwy spoiler.

Wydaje mi się że przy trzech butelkach będzie tak.

1-1-0(pierwsza i druga butelka wypuszcza wodę, trzecia zasysa)
0-1-1(pierwsza zasysa, druga i trzecia wypuszcza)
1-0-1(pierwsza i trzecia wypuszcza, druga zasysa)

Dodaj komentarz