آب سربالا می‌رود؟

هم‌نشینی با علم > یک تجربه > آب سربالا می‌رود؟

تاریخ انتشار: ۱۴ اردیبهشت ۱۴۰۰

problem

آب سربالا می‌رود؟ با وسایلی ساده اسباب‌بازی‌‌ای بسازید و پدیده‌‌ی علمی جالبی را مشاهده کنید و درباره‌اش بخوانید.

دست به کار شوید!

۱

این وسایل را آماده کنید:

  • لیوان
  • بطری خالی مربا (همراه با در)
  • قطره‌چکان
  • شمع
  • کبریت یا فندک
  • چسب مایع یا چسب حرارتی
  • رنگ خوراکی یا هر رنگ محلول در آب
  • آب
  • پیچ‌گوشتی

۲

نوک پیچ‌گوشتی را داغ کنید و با آن سوراخی با قطر لوله‌ی قطره‌چکان روی در بطری ایجاد کنید.

توجه: از بطری با در پلاستیکی استفاده کنید که راحت سوراخ بشود. مراقب باشید نوک داغ پیچ‌گوشتی به دستتان نخورد.

۳

پلاستیک سر قطره‌چکان را جدا کنید و آن را مانند تصویر از سوراخ در بطری رد کنید و دور آن را با چسب مایع یا چسب حرارتی از دو طرف خوب محکم کنید تا کاملا بسته باشد.

۴

شمع را روشن کنید و با کمک پارافین آب شده، شمع را روی در بطری در کنار لوله‌ی قطره‌چکان بچسبانید.

۵

آب را در لیوان بریزید و مقداری رنگ در آب حل کنید تا آب رنگی شود. سپس در بطری را وارونه روی لیوان بگذارید طوری که شمع و انتهای باریک لوله‌ی قطره‌چکان رو به بالا باشند.

۶

شمع را روشن کنید و بطری را فوری روی در قرار دهید و خوب بپیچانید تا هوا از آن خارج نشود. چه اتفاقی می‌افتد؟ بعد از مدتی شمع خاموش می‌شود، حالا چه رخ می‌دهد؟ چطور آب سربالا می‌رود؟

آزمایش را با دو یا سه بطری در اندازه‌های مختلف تکرار کنید. در کدام آزمایش، با کدام بطری، فواره‌ی آب رنگی زودتر درست می‌شود؟ آیا ارتفاع شمع هم اهمیت دارد؟ ارتفاع قطره‌چکان چطور؟

چطور اتفاق افتاد؟

وقتی شمع روشن است هوای داخل بطری گرم و منبسط می‌شود. با سوختن شمع اکسیژن درون ظرف کم می‌شود و کم‌کم شعله‌ی شمع کم‌سو می‌شود و حرارت کمتری می‌دهد، در نتیجه هوای درون بطری کمی سرد و متراکم می‌شود. حالا فشار هوای داخل بطری کم شده است و برای جبران آن از لوله، آب رنگی وارد بطری می‌شود تا حجم خالی شده را پر کند. وقتی شمع کامل خاموش می‌شود، یک مرتبه بطری سرد می‌شود و هوای داخل آن خیلی متراکم می‌شود و فشار هوا کم می‌شود. ناگهان آب بیشتری با فشار وارد بطری می‌شود تا اختلاف فشار را جبران کند و به این ترتیب مایع به صورت فواره‌ای وارد بطری می‌شود. با وجود آب رنگی فشار داخل و خارج بطری یکی می‌شود و ورود آب رنگی به آن متوقف می‌شود.

 

بعضی می‌گویند علت اینکه آب در این آزمایش سربالا می‌آید این است که با سوختن شمع اکسیژن درون ظرف تمام می شود و تعداد مولکول‌های موجود کم می‌شود اما این توضیح اشتباه است. وقتی شمع می‌سوزد پارافین شمع با واکنشی شیمیایی به گاز تبدیل می‌شود. پارافین ترکیبی است که از نفت به دست می‌آید و در خود کربن دارد. وقتی شمع می‌سوزد کربن موجود در پارافین با اکسیژن هوا ترکیب می‌شود و به صورت گاز کربن دی‌اکسید به هوا می‌رود. در این واکنش آب هم تولید می‌شود که به شکل بخار آب به هوا می‌رود. بنابراین درست است که با سوختن و خاموش شدن شمع اکسیژن ظرف تمام می‌شود ولی کربن‌ دی‌اکسید و آب به آن اضافه می‌شود. در نتیجه تعداد مولکول‌ها کم که نمی‌شود اضافه هم می‌شود. اما چرا آب وارد ظرف می‌شود؟ پدیده‌ای در طبیعت وجود دارد که در این آزمایش هم آن ‌را دیدیم. گاز و مایع خود به خود از جایی که فشار بیشتری دارند به جایی می‌روند که فشار کمتری دارند. بنابراین وقتی فشار هوای درون بطری به دلیل سرد شدن کم می‌شود آب رنگی با فشار وارد بطری می‌شود تا کمبود فشار را جبران کند.

جالب است بدانید…

شاید در فیلم‌های سینمای پدیده‌ی مشابهی را دیده باشید، زمانی که هواپیمایی در ارتفاع در پرواز است و مثلاً درِ هواپیما در اثر حادثه‌ای باز می‌شود یا یکی از پنجره‌ها می‌شکند، می‌بینیم ناگهان هوا و وسایل داخل هواپیما با فشار به بیرون پرت می‌شوند. موضوع این است که فشار هوای داخل هواپیماها برای تنفس سرنشینان تا حدودی برابر با فشار هوا روی زمین نگه داشته می‌شود تا تنفس مسافران راحت باشد. وقتی هواپیما به ارتفاع می‌رود به ناحیه‌ای از جو می‌رسد که فشار هوا در آن کمتر از سطح زمین (و کمتر از داخل هواپیما) است. بدنه‌ی هواپیماها را محکم می‌سازند تا این اختلاف فشار را طاقت بیاورد ولی اگر به دلیل حادثه‌ای این دیواره ترک بخورد آن‌وقت هوای داخل هواپیما با فشار به بیرون می رود تا فشار بیرون و درون را یکی کند که البته برای مسافران بسیار خطرناک خواهد بود. چندین سال بعد از ساخت اولین هواپیماها سازندگان به فکر طراحی هواپیمایی افتادند که فشار هوا درون آنها مناسب باشد. آنها جنس بدنه را طوری طراحی کردند که کوچکترین ترکی برندارد و پنجره‌های هواپیماها را کوچک و با شکل و جنس مناسب طراحی کردند که هوا از آن عبور نکند و در اثر اختلاف فشار نشکند. اولین هواپیماهایی که به این شکل ساخته شد دچار سانحه شدند و پس از چند حادثه در اواسط قرن بیستم میلادی، کم‌کم ساخت هواپیماها اصلاح شد تا به شکل هواپیماهای امروزی رسید که قاره به قاره و کشور به کشور سفر می‌کنند و مسافران بسیاری را جابه‌جا می‌کنند.

هواپیمای بریتانیایی BOAC، یکی از هواپیماهایی که به دلیل مشکل تنظیم فشار هوا در نیمه‌ی قرن بیستم میلادی و هنگام پرواز درهم شکسته شد.
RuthAS, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

 

البته این پدیده همیشه هم مایه‌ی دردسر نبوده است و مهندسان از آن برای ساخت وسایل کاربردی مثل پمپ آب یا جاروبرقی استفاده کرده‌اند. آنها برای ساخت این وسیله‌ها سعی کردند به طریقی فشار آب یا هوای داخل محفظه‌‌ی دستگاه را کم کنند. باقی را خودتان می‌دانید. آب یا هوا با فشار وارد این محفظه می شود تا کمبود فشار را جبران کند. در جاروبرقی هوایی که با فشار وارد محفظه می‌شود با خود گرد و خاک را هم می‌آورد. در آزمایش‌های نجات سکه و بادکنک وزنه‌بردار هم از پدیده‌ی مشابهی استفاده شد. ارتباط این سه آزمایش چیست؟