Zakaj zrak dvigne dimnik?

Ikona poučevalne enote

Kot smo ugotovili v prejšnjem razdelku, zrak pri našem poskusu kroži. Pri poskusu opazimo, da se ostanek dimnika premika v smeri dvigajočega se toplega zraka. Očitno gre za podoben pojav, kot na primer ko zapiha veter in se prašni delci gibljejo v isti smeri skupaj z njim. Vendar zakaj pri našem poskusu do vzleta pride šele potem, ko tulec že nekaj časa gori? Kako bi lahko fizikalno razložili ta pojav?


Ikona poučevalne enote

Viskoznost

Viskoznost je ena izmed lastnosti snovi, zaradi katere na telesa, ki se po taki snovi gibajo, deluje sila. V našem primeru bo taka snov zrak (zato bomo v nadaljevanju govorili o plinih, a v splošnem vse navedeno velja tudi za ostale kapljevine).

Če bi med premikanjem plina lahko opazovali molekule, iz katerih sestoji, bi lahko opazili, se pri tem pojavi trenje med molekulami samimi in tudi med njimi in stenami posode oziroma katerega koli predmeta, ki se nahaja v tem plinu in se v njem premika. Ta sila je odvisna od tega, kako odporen je plin proti tangencialnim silam med njegovimi namišljenimi plastmi (gl. sliko spodaj; te delujejo vzporedno med temi njegovimi plastmi). Kjer se pa ta sila pojavi ob stiku z nekim predmetom, pa se izkaže, da je njena velikost odvisna tudi od hrapavosti površine predmeta. To so lastnosti, ki jih podajamo kot viskoznost. Viskoznost je v splošnem odvisna tudi od temperature.

Poglejmo si še malo podrobneje. V plinu si med dvema ploščama mislimo dve ravnini, ki sta vzporedni s ploščama in ki sta v razmiku dy. Hitrost delov plina ob prvi ravnini  je vx, hitrost delov plina ob drugi pa je v+ vx (hitrejše plasti zraka vlečejo počasnejše in zadržujejo še hitrejše). Strižna hitrost je potem definirana kot

Slika na desni prikazuje, kako se spreminja hitrost vx v odvisnosti od pravokotne razdalje od stene y.

Naj bo F strižna sila, ki deluje na neko površino in S velikost te površine. Potem definiramo strižno napetost kot razmerje F/S.

Tako lahko rečemo, da je viskoznost (uporablja se tudi izraz židkost) količina, ki podaja odziv plina na strižno deformacijo. Viskoznost je definirana kot razmerje med strižno napetostjo in strižno hitrostjo:

 


Ikona poučevalne enote

Viskoznost pri našem poskusu

V našem poskusu je pojav viskoznost tesno povezan s konvekcijo zraka. Ko se zrak v dimniku dviguje, se na stenah dimnika pojavi viskozna sila, kar pripomore, da se ostanek dimnika na koncu dvigne v zrak. Dimnik zaradi viskoznosti potuje skupaj z zračnim tokom, to pa se zgodi takrat, ko izgori dovolj velik del dimnika, da ima ostanek dovolj majhno maso, da ga viskozna sila lahko dvigne v zrak.

Naredili smo še en zanimiv poskus, ki si ga lahko ogledaš na spodnjem posnetku. Na leseno stojalo v obliki valja smo nataknili tulec tako, da je bilo le približno 1 cm tulca nad zgornjim delom stojala. Zgornji rob tulca smo prižgali, med gorenjem pa smo tulec potiskali navzgor tako hitro, kot se je njegova višina nižala zaradi gorenja. Na ta način smo simulirali dogajanje, preden ostanek tulca (pri našem osnovnem poskusu) poleti. Pri tem poskusu se spet zelo lepo vidi posledica cirkulacije zraka. Zrak, ki se premika navzgor, poskuša od nezgorelega dela tulca odtrgati saje, ki so nastale pri gorenju. To se navsezadnje tudi zgodi, in sicer takrat, ko je viskozna sila gibajočega se zraka na te saje dovolj velika (to pomeni, da uspe odtrgati saje od preostalega dela tulca, in jih vzdigniti v zrak).

Če video ne deluje, kopirajte povezavo v okno brskalnika.

 

http://youtu.be/qu24buPWGbE