Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kolik vody musí být v hasicím vaku shozeném z vrtulníku z určité výšky?
Letní oslavy a veselice často zpestřují tzv. vodní bomby. Co radosti nadělá, když balonek naplněný vodou dopadne těsně vedle vás a s patřičným efektem praskne… Stabilita vodních bomb se však stala předmětem seriózního výzkumu na univerzitě v Princetonu. Výsledky bude možné aplikovat třeba v optimalizaci hasicích vodních vaků nebo v ochraně lidských orgánů při automobilových nehodách.
Vodní bombu v principu tvoří tenká pružná obálka uzavírající kapalné jádro. Z fyzikálního hlediska můžeme podobně popsat například buňky nebo některé orgány lidského těla. Takové „kapsle“ jsou v přírodě velmi rozšířené. Přesto nebylo jejich deformační chování při prudkém nárazu na pevnou překážku dosud detailně zkoumáno a popsáno.
Do problému se pustili vědci z univerzity v Princetonu v USA. Vysokorychlostní kamerou zkoumali deformace vodních bomb při nárazu na rovnou podložku a z naměřených výsledků odvodili obecný model. Našli také analogii s rozstřikováním kapek, u nichž však nahrazuje elastickou obálku, která se může ohýbat a napínat, vrstva ovlivněná povrchovým napětím kapaliny.
Vytvořený model, publikovaný v časopise Nature Physics, umožňuje předpovídat maximální deformaci kapsle během nárazu a bere v úvahu míru deformace obálky před nárazem. Vědci určili kritickou rychlost vedoucí k protržení kapsle a ukazují, že je silně závislá na předchozí deformaci elastické obálky.
Autoři článku plnili nejen obyčejné nafukovací balonky, ale také obálky z materiálů na bázi silikonů s různou pružností vodou, glycerinem, silikonovým olejem nebo medem. Použité kapaliny tedy měly velmi rozdílnou viskozitu. Naplněné „bomby“ pak nechali padat z různých výšek na hladkou podložku. Nárazovou rychlost přitom měnili v rozmezí od jednotek do téměř čtyřiceti metrů za sekundu.
Společným závěrem všech pokusů bylo chování kapalinové bomby bezprostředně po dopadu na podložku. Několik milisekund po nárazu se původně kulaté obálky na podložce zploštily v závislosti na viskozitě použité kapaliny. Čím byla nižší (kapalina byla tekutější), tím větší bylo zploštění balonu. Kapalina na podložce byla vytlačována směrem od středu a vytvořila malý val.
Pokud obálka vydržela, začala kapalina poté proudit zpět do středu. Balon se následkem toho smršťoval a kmitavým pohybem se zvedal z podložky. Čím tekutější byl obsah a čím pevnější byla obálka, tím menší a pomalejší byly tyto deformace.
Zvláštní pozornost věnovali vědci prasklým balonům. Vedle očekávaného potvrzení předpokladu, že čím pevnější elastická obálka, tím větší rychlosti nárazu balonek přestál, narazili vědci i na vedlejší výsledek. Je-li balon naplněn jen takovým množstvím, kolik se vejde do neroztažené obálky, vydrží náraz i při velmi vysokých rychlostech.
To si může v praxi ověřit kterýkoli metač vodních bomb. Balonek naplněný vodou téměř k prasknutí dá při nárazu ten nejlepší výsledek, zvláště když mu dodáme rychlost pádem z výšky.
Vytvořený model má však daleko větší využití, než jen optimalizaci prázdninových vodních radovánek. Lze z něj například bezpečně odvodit, kolik vody musí být v hasicím vaku shozeném z vrtulníku z určité výšky, aby v požadovaném místě požářiště bezpečně praskl. Dále je možné upravovat fyzikální vlastnosti hasicí kapaliny ve vztahu k použitému materiálu vaku.
Model je možné aplikovat také na orgány lidského těla, jako ledviny či játra. Tím může výzkum předmětů letní zábavy přispět ke stanovení bezpečnostních limitů při dopravních nehodách či v jiných neobvyklých situacích.
A konečně se nedivme, že v Princetonu napnuli své síly k výzkumu vodních bomb. Průměrná nejvyšší teplota v červenci tu dosahuje 30 °C a průměrná nejnižší teplota ve stejném měsíci činí 18 °C. Rekordy denních teplot pak dosahují v létě 40 °C. To potom dobře mířená vodní bomba určitě zpříjemní pracovní den…
Původní zdroje:
E. Jambon-Puillet, T.J. Jones, P.-T. Brun: Deformation and bursting of elastic capsules impacting a rigid wall. Nature Physics 16 (2020) 585–589.
Welt der Physik: Physik der Wasserbombe. Welt der Physik: Startseite [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 07.08.2020]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2020/physik-der-wasserbombe/
autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka:
Veletrh nápadů učitelů fyziky 25
Praha, 28.-30. srpna 2020
Tradiční akce je přehlídkou vlastní tvorby a nápadů učitelů všech stupňů škol, kteří chtějí přiblížit žákům a studentům výuku fyziky experimenty a dalšími tvořivými aktivitami, motivovat je tak pro svůj předmět a umožnit jim fyziku lépe zvládnout a pochopit.
