Pixabay License. Volné pro komerční užití.

Čaj Alberta Einsteina

Čajové lístky se v hrníčku s rovným dnem usadí po zamíchání vždy ve středu. Tímto „jevem čajového šálku“ se zabýval také Albert Einstein a publikoval o něm v roce 1926 článek. Na stejném principu pak vysvětluje tvorbu meandrů na řece. Dnešní lékařská technika jev využívá při výrobě plasmy z plné krve.

V roce 1926 publikoval Albert Einstein v časopise Naturwissenschaften vydavatelství Springer článek Die Ursache der Mäanderbildung der Flußläufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. V něm rozebírá příčinu vzniku meandrů na řece a odkazuje k její souvislosti s tím, proč se čajové lístky po zamíchání tekutiny v šálku s rovným dnem usadí vždy ve středu nádobky, a ne na jejím okraji.

V úvodu článku se Einstein svěřuje s pochybností, zda se odborník dozví vůbec něco nového. „Nenalezl jsem ale nikoho, kdo by úplně bral v úvahu všechny potřebné souvislosti, a tak považuji za správné tyto souvislosti kvalitativně v následujícím krátce představit,“ napsal Einstein.

Zamícháním čaje udělíme kapalině horizontální rotaci. Díky této primární cirkulaci dostane povrch čaje tvar menisku, kdy je na okraji nádobky hladina výše než v jejím středu. To je způsobeno výslednicí dvou sil: odstředivé, působící směrem ven, a tlakové síly vodního sloupce, působící dolů.

schema
Sekundární proudění po udělení horizontální rotace jako výsledek odstředivé síly, tíhové síly a vnitřního tření v kapalině

Ve vrstvě u vnitřního povrchu a u dna šálku však molekuly kapaliny brzdí tření. Tím se zmenšuje odstředivá síla, přičemž tlaková síla se nemění. Obnova rovnováhy sil si proto vynucuje změnu proudění kapaliny, v tomto případě čaje, a místo primární rotace se ustaví sekundární cirkulace (viz obrázek). Podél vnitřního povrchu šálku čajové lístky klesají dolů, na dně putují do jeho středu a odtud opět vzhůru k povrchu a k okraji. Takto unáší kapalina čajové lístky, dokud se pohyb nezastaví. Hladina je v tu chvíli opět vodorovná, a protože je hustota louhovaných lístků o něco vyšší než hustota vody, obvykle s ustávajícím pohybem necirkulují dále vzhůru, ale shromažďují se ve středu šálku.

A v čem spočívá souvislost čajových lístků s říčními meandry? V zatáčce řečiště působí odstředivá síla směřující k břehu řeky. Na dně je však tato síla menší, opět díky tření mezi vodou a dnem. Podobně jako v předchozím případě se ustaví sekundární proudění, při kterém se voda pohybuje po dně směrem k vnitřnímu břehu, podél něj vzhůru, při hladině k opačnému břehu a podél něj opět ke dnu. Díky rozdílům v rychlosti proudění je eroze vnějšího břehu intenzivnější než břehu vnitřního. Jak by tomu bylo v případě, kdyby řeka tekla rovně po spádu? Pak na tekoucí vodu působí přinejmenším Coriolisova síla. Ta má stejný směr jako odstředivá síla řeky v zatáčce, což v podstatě dává výchozí bod k tvorbě meandrů.

Intenzivnější vymílání západních břehů řek tekoucích na severní polokouli od severu k jihu a východních břehů řek tekoucích z jihu na sever popsal už v roce 1860 Karl Ernst von Baer (1792 – 1876) v Bulletin de l‘ Académie Impériale des Sciences de St.-Pétersbourg pod titulem Über ein allgemeines Gesetz in der Gestaltung von Flußbetten. Jev vysvětlil právě otáčením Země. V Einsteinově době se označovalo popsané působení Coriolisovy síly na říční toky právě jako Baerův zákon. Odtud se tedy výraz objevil v titulu Einsteinova článku.

Pro popsané ustavení čajových lístků v centru nádobky se vžil název „jev čajového šálku“. Přesto stejný princip pozorujeme nejen na tocích řek, ale také v mnoha dalších případech. V atmosféře například v oblasti nízkého tlaku stoupá vzduch vzhůru, zatímco v oblasti vysokého tlaku klesá. Důvodem je tření vzduchu na povrchu země, které vytváří sekundární cirkulaci.

Postupné zřetězení rotace tekutiny a jejího tření o povrch za vzniku sekundární cirkulace samozřejmě připoutalo i pozornost techniků. Jev čajového šálku se tak v praxi využívá mimo jiné k odstraňování nečistot z kapalin. Nežádoucí příměsi se soustřeďují po zamíchání ve středu, odkud je snadné je odebrat nebo vypustit. Podobně se získává krevní plasma separací červených a bílých krvinek od ostatních součástí plné krve.

Jen s obtížemi bychom našli lepší příklad fyzikálně podstatného jevu, který pozorovali mimoděk snad miliony lidí, aniž by je napadlo jej nějak podrobněji prozkoumat. Možná i v současnosti čeká nějaký další skrytě zjevný princip na svého objevitele. Třeba ne v šálku čaje, třeba v něčem podobně zdánlivě všedním…

Zdroje:

Welt der Physik: Warum sammeln sich Teeblätter in der Mitte? Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/warum-sammeln-sich-teeblaetter-in-der-mitte/

A. Einstein: Die Ursache der Mäanderbildung der Flußläufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. Naturwissenschaften 14 (1926) 223–224

autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka

Převzato z Matfyz.cz.

Pozvánka: 20. konference českých a slovenských fyziků – program pro veřejnost
8. září 2020

Kulatý stůl „Jak učíme fyziku – postřehy a nápady“.
přednášky: Tajomstvá fujary a píšťaliek
Vodík, palivo budoucnosti – využití vodíku jako zdroje čisté energie

Překvapení: Neandrtálci sdíleli chromozom Y s Homo sapiens

Ačkoliv neandrtálci byli blízkými příbuznými denisovanů, první analýza neandrtálského chromozomu Y vedla k velmi podivným …

One comment

  1. https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2006/cislo-1/proc-se-zamichane-cajove-listky-drzi-uprostred-dna.html
    „Nabízím jednoduché vysvětlení, které je nezávislé na slapových, elektrických, magnetických a jiných silách, povrchovém napětí apod. Nejprostší vysvětlení bývají někdy nejpřekvapivější: Kdyby rotovala i sklenice, lístky se rozloží po jejím obvodu vlivem odstředivé síly. To je totéž, jako by v nerotujícím čaji klesaly ke dnu. Když nerotuje sklenice, ale rotuje čaj, u dna je jeho pohyb pomalejší (je mírněn třením o dno) než u hladiny. V důsledku toho je u hladiny větší odstředivá síla, a navíc čaj koná pohyb na hladině směrem k obvodu, u dna směrem do středu a v ose sklenice opět stoupá k hladině, a u ní opět putuje k obvodu. Lístky jsou těžší, takže nemohou u osy vystoupat a shromáždí se u středu dna. Že to tak je, se můžete přesvědčit, když zamícháte větší rychlostí, tu a tam pak nejlehčí lístky vylétnou k hladině, na ní doputují k obvodu sklenice, kde klesnou, a vrátí se zas do středu. Nebo můžete do čaje nasypat něco lehčího, co se bude pohybovat společně s kapalinou, a celý pohyb uvidíte. Napadá mě, že v pestřejších čajových směsích jsou i lístky, které vždycky plavou. Ty by se podle této teorie měly shromažďovat na hladině, a to u obvodu sklenice.“

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close