IV.
FOLYADÉKOK ÉS GÁZOK EGYENSÚLYA.
Folyadékok általános tulajdonságai. A folyadékot a szilárd anyagtól legszembetűnőbben az különbözteti meg, hogy a folyadéknak nincsen saját alakja. A folyadék annak az edénynek az alakját veszi fel, amelybe beleöntjük. Ezért a folyadékrészecskéket gördülékenyeknek képzeljük el. A folyadék legkisebb részecskéi között nem tapasztalunk olyan összetartó erőket, mint a szilárd anyag részecskéi között. A folyadékrészek könnyen szétválnak egymástól, szinte maguktől gördülnek. Viszont bizonyos tömegű folyadéknak mindig meghatározott térfogata van, s a térfogat csak a hőmérséklettől függ; melegítéskor ugyanis a folyadékok kiterjednek. Ha ugyanazt a folyadékmennyiséget különböző alakú edénybe öntjük, az alak változik, a térfogat azonban ugyanakkora marad.
A folyadékoknak további nevezetes tulajdonsága az összenyomhatatlanság. Pontosan azt kell mondanunk, hogy a folyadékok csak igen kis mértékben összenyomhatók, ez azonban gyakorlatilag azt jelenti, hogy össze nem nyomhatók. A folyadékrészeskék olyanféleképen csatlakoznak egymáshoz, mint az apró golyókból álló serét. A serétszemek között is vannak hézagok és mégsem lehet azokat szorosabbra összenyomni.
A nyomás egyenletes terjedése. Vizsgáljuk meg kissé közelebbről, hogyan viselkedik a folyadék nyomóerő ha-
45. kép. A nyomás egyenletes terjedése.
tására olyankor, amikor nem törekszünk az egész folyadéktömeg összenyomására. Erre a célra a következő berendezést használhatjuk. Jól ellenálló anyagból készült vastagfalú zárt edény tetején több, különböző átmérőjű köralakú nyílás van, s a nyílásokban könnyen mozgó és jól záró dugók (45. kép).
Az edény színig vízzel legyen megtöltve, és a dugók is közvetlenül a vízzel érintkezzenek. Legyen pl. a négy nyílás közül kettő 2–2 cm átmérőjű (A és B), a harmadik (C) 4 cm, a negyedik (D) 6 cm átmérőjű. Eszerint a C nyílás területe négyszer nagyobb, a D nyílás területe pedig kilencszer nagyobb, mint az A, vagy B nyílás területe. Tegyünk az A nyílást elzáró dugóra 1 kgsúlyt. (*) Ekkor a többi, meg nem terhelt dugó felemelkedik és mindegyiket megfelelő megterheléssel lehet ismét egyensúlyban tartani. Az A-val egyenlő keresztmetszetű B dugó 1 kgsúlynyi, a négyszer nagyobb keresztmetszetű C dugó 4 kgsúlynyi és a kilencszer nagyobb keresztmetszetű D dugó 9 kg súlynyi terheléssel marad egyensúlyban. Ebből a kísérletből azt a tanulságot vonhatjuk le, hogy a folyadék valamely helyén kifejtett nyomóerő átterjed a folyadék bármilyen más helyére. Átterjedésekor azonban fontos szerepe van ama folyadékfelület nagyságának, amelyen a nyomóerö jelentkezik. Kétszer, há-
(*) SI-egységben: körülbelül 10 newton súlyú testet. [NF]
romszor, négyszer nagyobb, illetőleg kisebb felületrészen kétszer, háromszor, négyszer nagyobb, illetőleg kisebb az átterjedő nyomóerö. Egyenlő nagyságú felületdarabon az átterjedő nyomó erő mindig ugyanakkora. Ha bármekkora felületrészen jelentkező nyomóerőt a felület nagyságával elosztjuk, mindig ugyanazt a számot kapjuk. A felületegységen mutatkozó nyomóerőt a fizikusok nyomásnak nevezik. Előbbi tapasztalatunkat tehát röviden úgy fejezhetjük ki, hogy a nyomás a folyadékban mindenütt egyenletesen terjed el. A nyomóerő pedig a felülettel arányos. (*) Előbbi kísérletünkben csak azt vizsgálhatjuk meg, hogy ha a folyadék felszínének valamelyik helyén nyomást fejtünk ki, hogyan jelentkezik a nyomás a felszín más helyén. Másféle berendezésekkel arról is meg lehet győződni, hegy a nyomás a folyadék belsejében is mindenütt egyenletesen terjed el. A nyomás egyenletes átterjedésének elvét a francia PASCAL ismerte fel először a 17. században.
A példaként ismertetett kísérletre vonatkozólag a nyomást könnyen kiszámíthatjuk. A 2 cm átmérőjű vagyis 1 cm sugarú dugó keresztmetszetének területe 3,14 cm2 (r2π), tehát 1 kgsúlynyi megterheléskor a nyomás 1000/3.14 = 318.5 gsúly cm2-ként. Ugyanekkora a nyomás mindenütt a folyadék határfelületén; ahol nincsen dugóval elzárt nyílás, ott is működik ez a nyomás, de az edény falának ellenállása egyensúlyozza. A hatás és ellenhatás elve itt is érvényesül, két erő lép fel egyszerre: a folyadék felszínére működő [ható] külső nyomás és ezzel ellenkező irányban ugyanakkora nyomás a folyadék részéről. Tehát nemcsak a folyadékra működő külső nyomásról beszélhetünk, hanem magának a folyadéknak a nyomásáról is, hiszen ez a nyomás tartja fenn a dugókra helyezett súlyokat.
A nyomásnak folyadékokban mutatkozó egyenletes átterjedését fontos gyakorlati készülékekben értékesítik. Ezen alapszik a hidraulikus prés. Ez a berendezés az előbb leírt kísérletnek gyakorlati értékesítése. Két különböző keresztmet-
(*) Természetesen csak akkor, ha a nyomás állandó a megfigyelés során. [NF]
46. kép. Hidraulikus prés.
szetű hengeres edényt cső köt össze, s az összekötő csőben a tágabb edény felé nyíló szelep van (46. kép). Mindkét hengeres edényben jól záró és könnyen mozgó dugó van. A hengereknek dugók alatti részét és az összekötő csövet teljesen folyadék tölti ki, levegőnek nem szabad benne maradnia. A szűkebb cső dugójára kifejtett nyomás Pascal elve értelmében mindenhová, tehát a tágabb henger dugójára is, egyenletesen elterjed, s annyiszor nagyobb nyomóerő jelentkezik a nagy dugón, ahányszor nagyobb a nagyobb henger keresztmetszetének területe a kisebb hengerhez viszonyítva. Ha pl. a nagy henger belső átmérője 10-szer akkora, mint a kis henger belső átmérője, akkor a nagy henger belső keresztmetszete 100-szor nagyobb a kis hengerénél, és így a kisebb dugóra kifejtett 1 kgsúlynyi nyomóerő a nagyobb dugón 100-szorosan, mint 100 kgsúlynyi nyomóerő jelentkezik. A hidraulikus préssel igen nagy nyomóerőket lehet elérni. Folyadékul vizet, nagyobb nyomóerők esetében jó tömítés céljából olajat használnak. Ezt a berendezést elsősorban összenyomásra lehet használni; az összenyomandó tárgyat a nagy dugó külső felülete és a fölötte szilárdan elhelyezett lap közé kell tenni. Nehéz tárgyak fel-
emelésére is fel lehet használni mint hidraulikus emelőt. Használják pl. gépkocsi, fogorvosi szék emelésére, továbbá sorozatosan elhelyezett hidraulikus emelőkkel épületeket is szoktak emelni.
A hidraulikus erőátvitel nagyon előnyös, az erői könnyűszerrel igen nagy mértékben meg lehet sokszorozni. Azonban éppúgy, mint az egyszerű mechanikai erőátviteli eszközök esetében, itt is útban veszítünk annyit, amennyit erőben nyerünk. A kisebb dugó elmozdulása annyiszor több a nagyobbik dugó elmozdulásánál, ahányszor a nagyobb dugó keresztmetszete nagyobb a kisebbiknél. Ha előbbi példánkon csak 1 mm-nyi emelést akarunk elérni, a kisebb dugót 1 dm-rel kell lenyomnunk.
Hidrosztatikai nyomás. Ha a folyadék szabad felszínére külső nyomóerő nem működik [nem hat], akkor is van nyomás a folyadék belsejében. Minden folyadékrésznek súlya van, és a magasabban levő folyadékréteg súlyával nyomja az alatta levő folyadékrétegeket. Ebből világos, hogy a folyadéknak saját súlyából olyan nyomás keletkezik a folyadék belsejében, amely a mélységgel arányosan növekedik. A folyadékban a nehézségi erő következtében fellépő nyomás a hidrosztatikai nyomás. E nyomás törvényszerűségeit olyan mér-
47. kép. Hidrosztatikai mérleg.
leggel lehet megvizsgálni, amelynek egyik karján csiszolt üveglapot fonállal függesztünk fel. Ez a lap a mérlegkar alatt külön állványhoz erősített, mindkét végén nyitott hengeres üvegedény aljához símul és az edényt alulról zárja (47. kép). Ha a mérleg másik karján levő mérlegcsészébe ellensúlyt teszünk, akkor az edénybe bizonyos magasságig óvatosan vizet önthetünk, anélkül, hogy a fonálon függő üveglapot lenyomná. Jelöljük meg azt a vízmagasságot, amelyen a víz kiömlése alul megindul. A mérés azt igazolja, hogy ha hengeres üvegedénnyel végezzük a kísérletet, akkor a hengerbe öntött víz súlya éppen az ellensúllyal egyenlő – nem számítva a felfüggesztett lap ellensúlyát. Ez természetes, hiszen az egész beleöntött víz súlya nyomja a zárólapot. Ha az edény keresztmetszete, vagyis aljának területe éppen 1 cm2, akkor a megmért nyomóerő a nyomással egyenlő, (*) különben pedig a nyomás a megmért nyomóerőnek és az edénykeresztmetszet területének hányadosával egyenlő. Meglepő eredményhez jutunk azonban, ha a hengeres üvegedény helyébe ugyanakkora alapterületű, de fölfelé szélesedő, vagy akár fölfelé keskenyedő üvegedényt erősítünk a mérlegkar alá. Azt tapasztaljuk ugyanis, hogy ugyanakkora ellensúly esetén mindegyik esetben ugyanolyan magasságú vízoszlop marad egyensúlyban. A fölfelé szélesedő edénybe öntött víz súlya nyilván több, a fölfelé keskenyedő edénybe öntött vízé pedig kevesebb, mint az ellensúly. Különösen a felfelé keskenyedő edény esete feltűnő, mert az edény aljára működő nyomóerő nagyobb a beleöntött víz súlyánál. A felületegységre működő nyomóerő, vagyis a nyomás egyenlő vízmagasság esetén mindegyik esetben ugyanakkora. A hidrosztatikai nyomás tehát független a folyadéktartó edény alakjától, és csak a folyadékoszlop magasságától, illetőleg a felszíntől számított mélységtől függ. Ezenkívül természetesen a folyadék fajsúlyának van befolyása a hidrosztatikai nyomásra.
Bármely test fajsúlya a térfogategységben levő anyag súlya. (**) A fajsúly az anyagi minőség szerint változik. A víz faj-
(*) Az időközben megváltoztatott mértékegységek ezt a félmondatot érvénytelenné tették. A nyomás SI-egysége 1 pascal: amikor 1 m2 felületre 1 newton nagyságú nyomóerő hat. [NF]
(**) Fajsúly helyett ma a sűrűséget használják: "térfogategységnyi anyag tömegét jellemző mennyiség." Így függetlenítették ezt az anyagi jellemzőt a Föld felszínének különböző helyein is tapasztalható súlyingadozásoktól.
súlya az egység, mert 1 cm3 víz súlya éppen 1 gsúly. A higany fajsúlya 136 gsúly cm3-[en]ként.
Ha egyenlő magasságú higanyoszlop és vízoszlop nyomását összehasonlítjuk, a higanyoszlop nyomása a fajsúly arányában, vagyis 13.6-szer nagyobb. 10 cm magas vízoszlop nyomása 10 gsúly, ugyanakkora higanyoszlop nyomása 136 gsúly cm2-ként. Ha ugyanis 1 cm2 keresztmetszetű hengeres edénybe öntünk 10 cm magasan vizet, illetőleg higanyt, akkor a folyadékoszlopok súlya 10, illetőleg 136 gsúly. A hidrosztatikai nyomást tehát minden esetben úgy számítjuk ki, hogy a folyadékoszlop cm-ben kifejezett magasságát a folyadék fajsúlyával megszorozzuk. (*)
Felhajtóerő. A hidrosztatikai nyomást az előbbiekben úgy ismertük meg, mint függőlegesen lefelé irányuló nyomást. A hidrosztatikai nyomás ugyanis a függőlegesen lefelé működő [ható] nehézségi erő következménye. Egyszerű meggondolás rávezet arra, hogy a hidrosztatikai nyomás nemcsak függőlegesen lefelé, hanem függőlegesen fölfelé, sőt minden elképzelhető irányban működik. Gondoljunk el ugyanis a folyadék belsejében bárhol nagyon vékony vízszintes folyadékréteget. Ez a folyadékréteg csak akkor maradhat egyensúlyban, ha a felülről lefelé működő hidrosztatikai nyomást ugyanakkora alulról felfelé működő nyomás ellensúlyozza. Tehát bárhol a folyadék belsejében levő vízszintes felületre alulról felfelé működő nyomás is van. Végeredményben ez is hidrosztatikai nyomás, és itt is érvényesül a hatás és ellenhatás elve: két ellenkező irányú és egyenlő nagyságú erő lép fel egyszerre. A függőlegesen felfelé működő hidrosztatikai nyomóeröt felhajtó erőnek is nevezik.
|
A felhajtó erőt a következő egyszerű kísérlet szemlélteti. Mindkét végén nyitott üveghengert alul fémlappal zárunk el (48. kép). A teljesen síma fémlemez szorosan hozzásimul az üveghenger csiszolt pereméhez. A fémlemezt hozzákötött zsineg segítségével hozzászorítjuk az üveghengerhez és vízzel telt
|
48. kép. Felhajtó erő. |
edénybe merítjük. Ha ekkor a zsineget elengedjük, a fémlemez nem esik le, nem szivárog be alulról víz az üveghengerbe. Az alulról fölfelé működő felhajtó erő a fémlemezt hozzászorítja az üveghengerhez.
Oldalnyomás. Öntsünk vizet olyan magas hengeres edénybe, amelynek oldalán különböző magasságban csappal elzárható nyílások vannak (26. kép!!!). Bármelyik csap kinyitásakor a víz oldalt kiömlik és görbevonalú pályán, hajítási parabolán esik le. A víz kiömlése oldalt működő nyomóerő következménye. Ez a nyomóerő a nyílás fölött levő folyadékoszlop súlyától ered, tehát a hidrosztatikai nyomás oldalt is fejt ki hatást. Azt is tapasztaljuk, hogy annál nagyobb sebességgel - ömlik ki a víz, minél lejjebb van a nyílás. Az oldalnyomásnak is ugyanaz a törvénye, mint a függőleges irányban működő hidrosztatikai nyomásnak: az oldalnyomás is a folyadék felszínétől számított mélységgel arányosan növekedik. Az oldalt nyomó erő nagy felületen igen jelentékeny lehet. Gátak az oldalnyomás következtében szakadnak át.
Gondoljunk el a folyadék belsejében, bármilyen irányban, egy kis felületdarabot. E felületen levő folyadékrészecskék csak úgy maradhatnak egyensúlyban, hogy a felület mindkét oldalán ellenkező irányú, és egyenlő nagyságú erők hatnak. Ez tehát azt jelenti, hogy a hidrosztatikai nyomás a folyadék belsejében és határfelületén is bármilyen irányú felületre merőlegesen működik, és ez a tetszésszerinti irányú hidrosztatikai nyomás mindig ugyanakkora, mint az illető helyen függőlegesen lefelé irányuló hidrosztatikai nyomás.
Közlekedő edények. A hidrosztatikai nyomáson alapszik a közlekedő edények törvénye. Jól ismeretes, hogy az egymással közlekedő edények mindegyikében ugyanaz a folyadék egyenlő magasan helyezkedik el. Ennek a jelenségnek az az egyszerű magyarázata, hogy csak akkor marad a folyadék nyugalomban, ha az összekötőcső bármelyik helyén a két oldalról ható hidrosztatikai nyomás egyenlő, ehhez pedig az
szükséges, hogy a folyadékoszlopok onnét számított magasságai egyenlők legyenek. A vízvezetéki hálózat tulajdonképen sokfelé ágazó közlekedő edényrendszer. Kutakból magasan elhelyezett tartályokba szivattyúzzák a vizet, a tartályokból ágazik el a csőhálózat, s a fogyasztási helyen olyan magasra igyekszik a víz, amilyen magasan a hálózatot tápláló nagy tartályban van. Ugyanúgy magyarázható a szökőkút jelensége is. A szökőkútban szabad utat engedünk a víztartályból jövő víznek, ezért bizonyos magasságra felszökik. Az artézi kútból azért jön fel a víz, mert magasan fekvő víztartó réteggel közlekedik [van összeköttetésben]. Folyópart közelében magas vízálláskor a pincékbe beszivárgó víz is a közlekedő edények törvényét követi.
|
ARCHIMEDES törvénye. ARCHIMEDES, az ókor természettudósa, a hagyomány szerint azt a megbízást kapta Szirakuza királyától, HIERO-tól, hogy koronájának aranytartalmát állapítsa meg. A korona arany és ezüst ötvözetéböl készült. ARCHIMEDEST állítólag ennek a feladatnak a megoldása vezette rá a róla elnevezett közismert törvény felisme- |
49. kép. Archimedes törvénye. |
résére. ARCHIMEDES megmérte a korona súlyát levegőben és vízbe merítve, s a súlykülönbségből az arany és az ezüst fajsúlyának felhasználásával kiszámította az aranytartalmat.
ARCHIMEDES törvénye szerint a folyadékba merülő test annyival kisebb súlyú, amennyi az áitala kiszorított folyadék súlya. Ezt a fontos törvényt a következő egyszerű kísérlettel lehet igazolni. Üres fémhengerbe pontosan beleillő tömör fémhengerre van szükségünk. Mérleg egyik karján felfüggesztjük az üres hengert, alája a tömör hengert, és mindkettőt a mérleg másik karján kiegyensúlyozzuk (49. kép). A tömör hengert ezután vízbe merítjük. A mérleg kibillen, a hengerek oldalán a mérleg karja könnyebb lett. Öntsünk óvatosan vizet az üres hengerbe s a mérleg egyensúlya éppen akkor áll helyre, amikor az üres hengert színig megtöltöttük vízzel. Mivel pedig az üres henger belső térfogata éppen megegyezik a tömör henger térfogatával, a kísérlet ARCHIMEDES törvényét igazolja.
|
50. kép. |
ARCHIMEDES törvénye a következő egyszerű elméleti megfontolásból következik. Gondoljunk el a folyadék belsejében bizonyos tömegű folyadékot zárt felülettel körülhatárolva (50. kép). E folyadéktömeg határfelületére mindenütt hidrosztatikai nyomás működik [hat], és pedig az alsó felületrészekre ható nyomás nagyobb, mint a felül levőkre. A zárt felületre működő hidrosztatikai nyomásokat gondolatban egyetlen eredő erővé összegezzük. Ez az erő függőlegesen fölfelé működik, és az elhatárolt folyadéktömeg súlypontjában támad. Mivel a folyadék egyensúlyban van, az elhatárolt folyadéktömeg súlya éppen ellensúlyozza a hidrosztatikai nyomások eredőjét. Ha az elhatárolt folyadéktömeg helyébe pontosan ugyanakkora térfogatú szilárd testet képzelünk, akkor a szilárd test határfelületére ugyanazok a hidrosztatikai nyomások működnek, a szilárd test súlyát tehát akkora erő csökkenti, amekkora a hidrosztatikai nyomások eredője, vagyis amennyi a kiszorított folyadék súlya.
Kísérlettel könnyen lehet igazolni azt is, hogy, ha folyadékba külső felfüggesztéssel valamilyen szilárd anyagot merítünk, akkor a folyadék súlya annyival növekedik, amennyi a szilárd test által kiszorított folyadék súlya. Ez a tapasztalat a hatás és ellenhatás elvének felet meg. Amekkora erő a folyadékba merülő szilárd testre függőlegesen fölfelé működik, ugyanakkora ellenkező irányú, vagyis függőlegesen lefelé irányuló erő hat a folyadékra. Ebben az esetben is két erő lép fel egyszerre.
Ha a szilárd testet felfüggesztés nélkül tesszük a folyadékba, akkor a szilárd test és a folyadék fajsúlyának értéke szerint három eset fordulhat elő. A legtöbb esetben a szilárd test fajsúlya nagyobb a folyadék fajsúlyánál. Ebben az esetben a szilárd test a folyadékban alámerül, mert a kiszorított folyadék súlya kevesebb a test súlyánál, s így a felhajtó erő nem győzi le teljesen a test súlyát. A vas és minden fém a vízben alámerül.
Nagyon kivételesen előfordul, hogy a szilárd test és a folyadék fajsúlya megegyezik. Ilyenkor a súly és a felhajtó erő egymást éppen ellensúlyozzák, s a szilárd test a folyadékon belül bárhol megmarad egyensúlyban. Van olyan kemény fa, amelynek fajsúlya valamivel nagyobb 1-nél. (*) Megfelelő sűrűségű sóoldatban az ilyen fadarab a folyadékon belül egyensúlyban van.
|
51. kép. Úszás. |
Az úszó test egyensúlya. A harmadik eset akkor áll be, amikor a szilárd test fajsúlya a folyadék fajsúlyánál kisebb. Az ilyen test a folyadékon úszik. A jég fajsúlya kisebb, mint a vízé, a jég tehát a víz felszínén úszik. A vas úszik a higanyon, mert a vas fajsúlya 7.5, a higanyé 13.6 gsúly cm3-[en]ként. Ha az ilyen testet egészen a folyadék felszíne alá merítjük, akkor a kiszorított folyadék súlyával megegyező felhajtó erő nagyobb a szilárd test súlyánál, ennélfogva a két erő eredője fölfelé irányul, s a test a folyadékból kiemelkedik. A folyadékon úszó test térfogatának csak egy részével szorít ki folyadékot, és akkor van egyensúlyban, ha saját súlyával egyenlő súlyú folyadékot szorít ki. Ez az úszás egyensúlyának feltétele. Bármely hajónak annyi a vízkiszorítása, amennyi a hajónak teljes súlya; ez adja meg a hajó tonnatartalmát. A sok vasból készült hajók úszását az teszi lehetővé, hogy a víz színe alatt jelentékeny teret foglal el a levegő, ennélfogva a hajó vízszíne alatti részének átlagos fajsúlya jóval kisebb a víz fajsúlyánál. Ha a hajót rakománnyal terhelik meg, mélyebbre süllyed, de az úszás feltétele változatlan marad; a hajó annyival süllyed mélyebbre, amennyi a vízkiszorítás többletét a rakománnyal egyenlő súlyúvá teszi. Ezt a törvényszerűséget a következő egyszerű kísérlet szemlélteti. Négyzetes oszlopalakú fahasáb alapjára ólomlemezt erősítünk és vízzel telt magas üvegedénybe merítjük. A fahasáb függőleges oldalélekkel úszik a vízen (51. kép). A hasáb oldalán levő beosztáson megnézzük, meddig merül a vízbe, s ebből, valamint a hasáb alapterületéből kiszá-
(*) Sűrűsége nagyobb 1000 kg/m3-nél. [NF]
mítjuk a bemerülő rész térfogatát. Vízbemerítés előtt lemérjük a hasáb súlyát is (az ólomterheléssel együtt), s a hasáb súlyát a kiszorított víz súlyával megegyezőnek találjuk. Ha a hasab tetejére súlydarabot teszünk, akkor annyi cm3-rel merül mélyebbre, ahány grammsúllyal megterheltük.
Ha valamely hajó ugyanakkora megterheléssel más sűrűségű vízbe jut, akkor megváltozik a merülése. A sós tengervíz a folyóvíznél tudvalevőleg sűrűbb, ezért mikor a Duna-tengerjáró hajó a Dunáról kijut a nyilt tengerre, ugyanakkora megterheléssel kevésbbé merül el. A tengeri útra rendszerint nagyobb rakományt visz magával.
A folyadékon úszó test nem marad bármilyen helyzetben egyensúlyban. A hosszúkás alakú egyenletes anyagú test függőleges oldalélekkel nem marad a vízen egyensúlyban, magától olyan helyzetet vesz fel, amelyben a hosszabb élei vízszintesek. Előbbi kísérletünkben is azért kellett a fahasábot alul ólomlemezzel megterhelnünk, hogy függőleges helyzetben ússzék. Ez a kísérlet egyúttal arra nézve is útmutatást ad, hogy mitől függ az úszás stabilitása. A fahasáb alsó lapjára erősített ólomlemez kétségkívül mélyebbre viszi a test súlypontját.
|
Az úszás törvénye alapján egyszerű eszközök készíthetők folyadékok fajsúlyának mérésére. Mindkét végén zárt üvegcső alul valamiképen, pl. ólomseréttel annyira meg van terhelve, hogy folyadékba merítve, függőleges helyzetben stabilisan úszik (52. kép). Ez az areométernek nevezett készülék különböző fajsúlyú folyadékokban különböző mélységig merül el, kisebb fajsúlyú folyadékban mélyebben, nagyobb fajsúlyúban kevésbbé. Tapasztalati módon olyan osztályzattal [beosztással] látják el a csövet, hogy a folyadékfelszín magasságában látszó beosztás az illető folyadék fajsúlyát adja. Hasonló készülékek a gyakorlati életben használatos szeszmérők, tejmérők stb. |
52. kép. Areométer. |
A búvárhajó (tengeralattjáró hajó) saját súlyának változtatásával merül alá, és jut ismét a víz felszínére. Lemerüléskor az e célra szolgáló oldalrekeszekbe vizet eresztenek be, felemelkedéskor pedig sűrített levegővel kiszorítják a vizet a rekeszekből. Amikor a búvárhajó bizonyos mélységben a víz alatt van, súlya éppen a kiszorított víz súlyával egyenlő.
Gázok általános tulajdonságai. A szilárd és a folyékony halmazállapoton kívül az anyagnak harmadik, jól ismert halmazállapota a gáznemű állapot. A gáznemű állapot nem érzékelhető olyan közvetlenül, mint a szilárd, vagy a folyékony halmazállapot. A legtöbb gáznemű test, mint pl. a levegőt alkotó nitrogéngáz és oxigéngáz, valamint a vízgőz színtelen és szagtalan. Tapintóérzékünkkel sem vehetünk róla tudomást, legfeljebb akkor, ha testünk hőmérsékleténél jóval hidegebb, vagy melegebb. Némely gáznemű test felismerhető színéről vagy szagáról, pl. a brómgőz, étergőz, benzíngőz, klórgáz. Bármilyen gázról tudomást szerzünk akkor, ha mozgásban van. A szél a levegő mozgása. A gáznemű testnek nincsen meghatározott alakja és térfogata is bizonytalan, mert mindig a rendelkezésre álló legnagyobb térfogatot igyekszik elfoglalni. Ha kevés étert cseppentünk valahova, hamarosan több méter távolságban is érezzük az étergőz jellegzetes szagát, tehát a kiöntött éterfolyadék párolgásából származó gőz mindenfelé szétterjed. A terjengősség [terjedékenység] a gáznemű testek legjellemzőbb tulajdonsága, ez különbözteti meg őket mind a szilárd, mind a folyékony testektől.
A terjengősség következménye, hogy a gáz nyomóerőt fejt ki a vele érintkező szilárd vagy folyékony testekre. Ezt a nyomóerőt mint ellenállást érezzük, ha egyik végén zárt vastagfalú hengerben a benne mozgó, jól záró dugoval a dugó alatt levő levegőt össze akarjuk nyomni. Összenyomáskor jelentékeny erőt kell kifejtenünk, és ha a dugót elengedjük, az összenyomott levegő ismét kiterjed és a dugót visszalöki. A gázok az összenyomó erővel szem-
ben úgy viselkedaek, mint a rugalmas testek. Ezt a jelenséget a gázok térfogati rugalmasságának nevezik.
A gáznemű testeket hol gázoknak, hol gőzöknek nevezik. Gőznek szokás nevezni az olyan gáznemű testet, amely közönséges körülmények között folyékony halmazállapotban is előfordul, a többit gáznak hívják. E szóhasználat szerint az oxigén, nitrogén, hidrogén gáz, a víz, az alkohol, az éter, a benzin gáznemű állapotban gőz. Rövidség kedvéért a továbbiakban minden gáznemű testet gáznak nevezünk, tehát a gőzöket is közéjük soroljuk.
53. kép. A levegő súlyának mérése.
A gázok súlya. Szokatlanul hangzik, hogy minden gáznak tömege és súlya is van. Igaz, hogy a gáz tömege és súlya közvetlen tapintással nem érzékelhető, csupán gondos mérlegeléssel mutatható ki. Csappal elzárható gömbölyű palackból kiszivattyúzzuk a levegőt, a csapot elzárva a palackot mérlegre függesztjük (53. kép). Ha ezután a csapot kinyitva levegőt engedünk be a palackba, a mérleg a felfüggesztett palack oldalán lebillen és bizonyos többletsúllyal az egyensúlyt ismét helyreállíthatjuk. Azt tapasztaljuk, hogy ha éppen egy
liter térfogatú palackkal végezzük a kísérletet, akkor az egyensúlyozáshoz 1.2 grammsúly szükséges. Egy liter levegő súlya szobahőmérsékleten 1.2 grammsúly, kb. 800-szor kisebb fajsúlyú a víznél. Hasonló méréssel meg lehet határozni másféle gáz fajsúlyát is. A mérések eredménye szerint vannak a levegőnél könnyebb és nála nehezebb gázok. A levegőnél nehezebb gáz a széndioxid, klór, a levegőnél könnyebb gáz a világítógáz. Legkönnyebb gáz a hidrogén.
A légkör. Földünket vastag rétegben levegő veszi körül. A Föld felszínén élő ember egyúttal a légóceán fenekén él. A Földet körülvevő légkör magasságát nem ismerjük, de bizonyos, hogy legalább 500–600 kilométer magas.!!!
A levegő tulajdonképen több gáz keveréke. Földünk felszíne közelében bizonyos mennyiségű levegőben 4/5 térfogatrész nitrogén és 1/5 térfogatrész oxigén van, ezeken kívül kis mennyiségben másféle gázok is előfordulnak benne. Több-kevesebb vízgőz és széndioxid mindig található a levegőben.
A nyomás egyenletes elterjedése. A nyomás egyenletes elterjedésének törvénye gázokra is érvényes. Erről úgy győződhetünk meg, hogy olyan vastagfalú edényt készítünk, amelynek több nyílása van, és mindegyiket könnyen mozgó dugó zárja el légmentesen. Ha az egyik dugóra nyomóerőt fejtünk ki, a többi dugó is elmozdul. Gázokra is igaz az a törvény, hogy a felületegységre számított nyomóerő, vagyis a nyomás, mindenütt ugyanakkora. A nyomás egyenletes elterjedésének mindama következményei, amelyeket a folyadékokkal kapcsolatban megismertünk, a gázokra is érvényesek.
A légkör nyomása. Földünk légóceánja épúgy a nehézségi erő uralma alatt áll, mint a tengervíz. Minden egyes levegőrétegnek megvan a maga súlya, és a magasabban levő levegőrétegek súlyukkal nyomják az alattuk lévő rétegeket. Ennek következtében a hidrosztatikai nyomáshoz hasonló, a mélységgel növekedő nyomás keletkezik s mivel a mélységet
|
54. kép. |
a légkör ismeretlen felső határától kell számítanunk, ez az ú. n. aerosztatikai nyomás nyilván a tenger színén a legnagyobb. Ezt a nyomást közönségesen légköri nyomásnak, a levegő nyomásának mondjuk. A levegő nyomását úgy mérhetjük meg, hogy bizonyos magasságú folyadékoszlop nyomásával hasonlítjuk össze. Az első ilyen kísérletet GALILEI tanítványa, az olasz TORRICELLI végezte el 1643-ban. Kísérlete könnyen megismételhető. Egyik végén zárt, kb. 80 cm hoszszú, vastagfalú üvegcsövet higannyal töltünk meg, nyitott végét ujjunkkal befogjuk és a csövet megfordítva nyitott végét higannyal telt szélesebb edénybe merítjük (54. kép). Ujjunkat akkor vesszük el, amikor a cső nyitott vége teljesen beleér a higanyba. A higany a csőben nem száll le, hanem kb. 76 cm magasan marad a külső edényben levő higany felszíne felett. Ennek a történetileg nevezetes kísérletnek az a magyarázata, hogy a széles edényben levő higany felületére a légkör nyomása hat, a csőben levő higanyra nem működik [nem hat] megfelelő ellennyomás, hiszen ott a higany felett légüres tér van, ennek következtében a külső levegő nyomása kb. 76 cm magas higanyoszlopot tud egyensúlyban tartani. |
Egyszerű számítás mutatja, hogy a külső levegő nyomása igen jelentékeny nyomás. Ha a higanyos cső keresztmetszetét egy cm2-nyinek vesszük, akkor a 76 cm magas higanyoszlop súlya éppen a külső levegő nyomását adja meg. Mivel a higany fajsúlya 13.6 grammsúly cm3-ként és 1 cm2 keresztmetszet esetén a 76 cm magas higanyoszlop egyúttal 76 cm3 térfogatú, a higany összes súlya 76×136 = 1033.6 grammsúly. A légkör tehát a Föld felszínén és annak közelében cm2-ként kb. 1 kilogrammsúlynyi nyomóerőt fejt ki. (*) Minden tárgy – és élőlény is – e hatalmas nyomásnak van alávetve, de, mivel a nyomás egyenletes elterjedésének törvénye szerint a légköri nyomás is minden irányban működik, hatása csak akkor nyilvánul meg, ha a nyomásnak kitett felület egyik oldalán a nyomást valami módon megszüntetjük; egyébként
(*) SI-egységekben mintegy százezer pascal. [NF]
az ellenkező irányban működő egyenlő nyomások egyensúlyozzák egymást. Az egyik oldalon légüres teret kell létesíteni, hogy a légköri nyomás érvényesüljön. Ez történik a Torricelli-féle kísérletben és sok más olyan kísérletben is, amellyel a levegő nyomását kimutatják.
GUERICKE OTTO kísérlete. A légüres tér létesítése valóban történetileg is egyidejű a légkör nyomásának felismerésével. GUERICKE OTTO, Magdeburg város hajdani polgármestere, TORRICELLI kortársa, fáradozott sokat olyan légszivattyúk készítésén, amelyekkel az akkori fogalmak szerint légüres teret tudott létesíteni. Eszközei és kísérletei nagy feltűnést keltettek. 1654-ben a regensburgi birodalmi gyűlés előtt mutatta be nevezetes kísérletét a szülővárosáról elnevezett magdeburgi félgömbökkel. Két 55 cm átmérőjű, pontosan egymáshoz illő félgömböt készíttetett fémből, a félgömböket egymáshoz illesztve kiszivattyúzta belőlük a levegőt, és ekkor nyolc-nyolc ló ereje sem tudta a félgömböket egymástól szétszakítani. GUERICKÉT vizsgálódásaiban az a vágy vezette, hogy a légüres tér tulajdonságait megismerje. Valamilyen ismeretlen világot sejtett a légüres tér birodalmában, és annak rejtelmeibe igyekezett behatolni. A behatolást pedig nem bölcselkedéssel, hanem kísérleti eszközökkel indította meg. Legnagyobb érdeme olyan légszivattyúk megszerkesztése, amelyekkel az akkori idők műszaki fejlettségéhez viszonyítva nagyfokú ritkítást tudott elérni, bár ez a mai kor szemszögéből nézve csak kezdetleges eredmény. GUERICKE légszivattyúja segítségével egyrészt kortársainak szeme elé tárta a légköri nyomásnak hatalmas voltát, másrészt laboratóriumában a légritka térrel sok érdekes kísérletet végzett. Megállapította többek között, hogy a légüres térben nem terjed a hang, a fény viszont keresztül hatol a légüres téren. A mágneses erők hatását sem csökkenti a légüres tér.
Légnyomásmérők. A légkör nyomását annak a higanyoszlopnak a magasságával szokás kifejezni, amellyel
|
TORRICELLI kísérletében egyensúlyt tart. (*) Ez a tenger színén többé-kevésbbé közel esik 760 mm-hez. A légköri nyomással egyensúlyban levő higanyoszlop mindenkori magasságát barométerállásnak nevezik. A légkör nyomása, tehát a barométerállás is, változó érték. Közvetlenül világos, hogy a légkör nyomása elsősorban a tengerszinfeletti magasságtól függ. Minél magasabban vagyunk a tenger színe felett, annál kisebb a levegő nyomása, hiszen annál kisebb a felettünk levő levegőréteg. Mérések és számítások szerint a légkör alsó részében minden 100 méteres emelkedéskor a barométerállás kb. 10 mm-rel csökken.
|
55. kép. |
Budapest tengerszínfeletti magassága kb. 100 m, s a rendes barométerállás 750 mm. A levegő nyomása ugyanazon a helyen időben változik. Időbeli változása szoros kapcsolatban van az időjárási viszonyokkal, s rendszeres megfigyelése az időjárás előrejelzése szempontjából elég fontos. A 760 mm-es barométerállásnak megfelelő nyomást egy légköri nyomásnak, egy atmoszférának nevezik.
A légnyomás mérése céljából tulajdonképen TORRICELLI kísérletét kellene minden esetben elvégezni. A higanyos légnyomásmérők (barométerek) TORRICELLI kísérletén alapuló berendezések. Az egyszerű higanyos barométer (55. kép) csak abban különbözik a Torricelli-féle kísérlet berendezésétől, hogy a hosszú, higannyal telt és felül zárt cső alul felgörbül és nyitott, tág edényben végződik. A készülék mellé erősített milliméteres osztályzat zérus pontja a tág edényben levő higany felszínével egy magasságban van, s így a két higanyfelszín magasságkülönbségét közvetlenül leolvashatjuk.
Köznapi használatra folyadék nélküli, ú. n. aneroid barométereket készítenek. E készülék lényeges része olyan légüres fémdoboz, amelynek felső lapja redős, rugalmas fémlemezből való. A levegő nyomásának változásakor a redős fémlemezt rugalmas alakváltozás éri, és az ebből eredő kis elmozdulást megfelelő emelős szerkezet sokszorosítva viszi át tapasztalati osztályzat felett mozgó mutatóra. Az aneroidbarométerek pontosság tekintetében elmaradnak a higanyos barométerek mögött, mert a fémlemez rugalmassága idővel megváltozik. Kényelem és hordozhatóság dolgában azonban sokkal előnyösebbek. Gyakran magassági osztályzattal is ellátják ezeket a készülékeket, azon az alapon, hogy 10 mm-es nyomáscsökkenés durva közelítéssel 100 m-es emelkedésnek felel meg. Az ilyen barométerek hasznos szolgálatot tesznek a túristáknak. Repülőgépek, léghajók magasságmérő eszközei ezen alapulnak.
|
56. kép. |
A gáz nyomásának és térfogatának összefüggése. Minden gáznak minden körülmények között van bizonyos nyomása. Ha a külső légkörben bizonyos elhatárolt légtömegre, pl. egy szoba levegőjere, gondolunk, annak nyomása a barométerrel mérhető mindenkori légnyomás. Ha valamilyen zárt gáztartó edényben van a gáz, és a gáztartó nyílását könnyen mozgó dugó zárja el, akkor az így elzárt gáztömeg szintén a külső légnyomást veszi fel, mert azzal a könnyen mozgó dugó révén egyensúlyban van. Ha a dugót megterheljük, vagy bármi módon nyomóerőt fejtünk ki reá, akkor az elzárt nyomása a külső légnyomásnál nagyobbá válik. A nyomás nagyobbodásával együttjár a térfogat megváltozása. Az elzárt gáz nyomása és térfogata meghatározott összefüggésben van egymással. Ennek az összefüggésnek a megvizsgálására a következő berendezést használhatjuk. Két egyenlő vastag üvegcsőre van szükségünk, az egyik üvegcsőnek a végén jól záró csapnak kell lennie. A két üvegcsövet hosszú gumicsővel összekötjük, és egymás közelében függőleges helyzetben megerősítjük (56. kép). A csövek mellé függőlegesen álló cm-es osztályzatot is szerelünk. A csapot kinyitva annyi higanyt öntünk a nyitott végű csőbe, hogy a higany felszíne az üvegcsövekbe érjen. Ezután a csapot lezárjuk. Ekkor a csap és a higany belső felszíne között elzárt levegő nyomása még mindig a külső légnyomással egyenlő. Az elzárt levegő nyomását ezzel a berendezéssel mindkét irányban könnyen meg lehet változtatni. Ha ugyanis a nyitott végű csövet és azzal együtt a higanyoszlopot emeljük, akkor a zártvégű csőben is emelkedik a higany felszíne, de kisebb mértékben, tehát felszínkülönbség keletkezik, az elzárt levegő térfogata pedig kisebbedik. Tegyük fel, hogy a külső légnyomás 76 cm. Emeljük fel a nyitottvégű csövet annyira, hogy a higany felszínkülönbsége is 76 cm legyen. Ebben az esetben az elzárt légtömegre kétszer akkora nyomás működik, mint előbb, mert a külső levegő nyomásához a felemelt higanyosz- |
lopnak ugyanakkora nyomása adódik hozzá. Azt tapasztaljuk, hogy az elzárt gáz térfogata felére csökkent. Ha olyan bosszú az összekötő gumicső, hogy a külső higany felszínét még további 76 cm-rel tudjuk felemelni, s így az elzárt légtömegre működő nyomást 3-szor 76 cm-re növeljük, akkor térfogata az eredeti térfogatnak harmadára csökken. Megfordítva a nyitottvégű cső süllyesztésével a nyomást kisebbíthetjük; ekkor a térfogat nagyobbodik. Ha pl. annyira süllyesztjük a külső csövet, hogy a belső csőben 38 cm-rel maradjon a higany felszíne magasabban, akkor az elzárt légtömegre a külső légnyomás fele működik [hat], térfogata pedig kétszer nagyobb. Az elzárt légtömegre működő nyomás mindig egyenlő a légtömeg saját nyomásával, hiszen ezek egyensúlyban vannak egymással. Ennélfogva az előbb leírt tapasztalati tényeket a következő törvénybe lehet összefoglalni: bizonyos tömegű gáz térfogata annyiszor kisebhedik, ahányszor a nyomása nagyobbodik, és viszont a térfogata annyiszor nagyobbodik, ahányszor a nyomása kisebbedik. A nyomás és a térfogat fordított arányban változnak. Ez a törvényszerűség csak addig igaz, míg a hőmérséklet meg nem változik. A gázoknak e törvényét a 17. században az angol BOYLE és a francia MARIOTTE egymástól függetlenül állapította meg.
Nyomásmérők. A gáznyomás Boyle–Mariotte-féle törvényén, valamint a külső légkör nyomásán sok gyakorlati eszköz alapszik. Ide tartoznak elsősorban a nyomásmérők (manométerek). A higanyos nyomásmérő az előbb leírt Boyle–Mariotte-féle kísérleti berendezéshez hasonlít. U alakban görbített üvegcső egyik vége zárt, a másik azzal a gáztartóval közlekedik, amelyben a nyomást meg akarjuk mérni (57. kép). A cső görbült részébe öntött higany légköri nyomású levegőt, esetleg más gári választ el a gártartótól. Ha a gáztartóban is légköri nyomás van, akkor a higany felszíne a két szárban egyenlő magas, eltérő nyomás esetén az elzárt gáz térfogata változik, és a térfogat változásából a
Boyle–Mariotte-törvény alapján lehet a nyomás megváltozására következtetni. A zárt csövet olyan beosztással lehet ellátni, hogy a higany mindenkori felszíne közvetlenül a nyomás értékét jelezze. Az ilyen zárt nyomásmérőt rendszerint a légköri nyomásnál nagyobb nyomások mérésére használják. Kisebb nyomáskülönbségek mérésére a nyitott nyomásmérő alkalmas. A zárt nyomásmérőtől abban különbözik, hogy a görbített csőnek a gáztartóval össze nem kötött szára nyitott (58. kép). A két higanyfelszín magasságkülönbsége méri a kérdéses nyomás eltérését a külső légköri nyomástól.
|
57. kép. Zárt nyomásmérő. |
58. kép. Nyitott nyomásmérő. |
Az aneroid barométerekhez hasonlóan folyadék nélküli nyomásmérőket készítenek, különösen nagy nyomások mérésére. Szerkezetük hasonló az aneroid légnyomásmérőkéhez, csupán a nagy nyomáskülönbségeknek megfelelően erősebb falú zárt fémdobozt tartalmaznak.
Szívókút. Könnyen megérthető ezek után a közönseges szívókút működése. Lényeges alkotórésze széles henger, az ú. n. köpű, és az ebben mozgó jól záró dugó (59. kép). A
|
59. kép. Szívókút. |
köpű alul keskeny csőben, a szívócsőben folytatódik, és a szívócső beleér abba a víztartóba, amelyből a vizet fel akarjuk szivattyúzni. A szívócső felső végén fölfelé nyíló szelep van, és ugyancsak fölfelé nyíló szelep van az átfúrt dugóban. Ha a dugót felhúzzuk, az alatta levő levegő kiterjed, nyomása csökken, a dugó szelepét a külső légnyomás zárja. A víz felületére működő [ható] külső légnyomás a vizet a szívócsőben felemeli, s miközben a felfelé áramló víz a szívócső szelepét kinyitja, a köpű aljára is víz nyomul. Az áramlás megszűnése után ez a szelep saját súlyánál fogva bezárul és megakadályozza a szelep fölé került víz visszaáramlását. A dugó letolá- |
sakor az alatta levő levegőt összenyomjuk, s így annak megnövekedett nyomása a felső szelepet kinyitja, és az összenyomott levegő kifelé eltávozik. Amikor a dugó a köpű aljára ér, víz is kerül a dugó fölé. A dugó újabb felhúzásakor ismét zárul a dugó szelepe, a dugó a föléje került vizet felemeli, a víz az oldalcsövön át kiömlik. A szívócső legfeljebb 10 méter hosszú lehet, mert a külső légnyomás legfeljebb 10 m magasra tudja a vizet felemelni. Mivel ugyanis a víz 13.6-szer kisebb fajsúlyú a higanynál, egy légköri nyomás 76×13.6 = 1033 cm = 10.33 m magas vízoszlop nyomásával egyenlő.
|
Légszivattyú. A szívókúthoz teljesen hasonló szerkezete van a köpűs légszivattyúnak. A szívócső a köpűt azzal a térrel köti össze, amelyből a levegőt ki akarjuk szívni. A dugó szelepének záródását rendszerint rúgó segíti elő. A köpűs légszivattyúval nem lehet nagy ritkítást elérni, mert a dugó letolásakor a két szelep közötti térben mindig marad vissza levegő, és a fémből készült szelepek nem zárnak légmentesen. A légszivattyúk Guericke óta óriási fejlődésen mentek át. Elsősorban a szelepeket olyan mechanikai szerkezettel helyettesítették, mely a kiszívott levegőt összenyomásakor úgyszólván teljesen kihajtja a szivattyú belsejéből. Tömítésre folyadékot, többnyire olajat vagy higanyt használnak. Mivel motorokkal könnyű forgó mozgást létesíteni, a szivattyúkat többnyire forgásra rendezik be. Különösen a német GAEDE foglalkozott sokat légszivattyúk szerkesztésével. Sokféle olyan légszivattyú származik tőle, amellyel erős ritkítást lehet elérni. Egy nagyon korszerű légszivattyúval később ismerkedünk meg. Légsűrítő. A légszivattyúhoz viszonyítva ellenkező célt szolgál a légsűrítő. Arra való, hogy valamilyen zárt térbe levegőt nyomjunk be a légkörinél nagyobb nyomáson. Abban tér el a köpűs légszivattyútól, hogy a dugó nincs átfúrva és nincs is rajta szelep, a köpű alján levő szelep pedig befelé nyílik (60. kép). A köpű tetején kis nyílás van. A dugó |
60. kép. Légsűrítő. |
felhúzásakor alatta légritka tér támad, az alsó szelep zárul, és amidőn a dugó a köpű nyílása fölé kerül, külső levegő nyomul a dugó alá. A dugó letolásakor ezt a levegőt a kinyiló szelepen át benyomjuk abba a térbe, amelyben a levegőt össze akarjuk sűríteni. E térbe a dugó többszöri mozgatásával egyre több levegőt szoríthatunk be. Ilyen légsűrítőket alkalmaznak kerékpár- és autógumitömlők felfújására.
Felhajtó erő a gázokban. Mivel gázokban is, úgy mint a folyadékokban, a nyomás egyenletesen terjed és a nehézségi erőből származó aerosztatikai nyomás ugyanolyan tulajdonságú, mint a hidrosztatikai nyomás, ennélfogva ARCHIMEDES törvénye gázokra is érvényes. Gázokban is működik felhajtó erő, és ARCHIMEDES törvénye szerint a gázban levő szilárd test súlyát a felhajtó erő annyival csökkenti, amennyi a testtel egyenlő térfogatú gáz súlya. Ezt a súlycsökkenést rendesen figyelembe se vesszük, hiszen, ha mérlegeléskor két test súlyát összehasonlítjuk, térfogatuk többnyire nem nagyon különbözik egymástól, s így a felhajtó erőben sincs nagy különbség. Ha pedig a felhajtó erők körülbelül egyenlők, akkor az összehasonlításkor kiesnek. Az 1 dm3 térfogatú testre működő felhajtó erő a rendes nyomású levegőben kb. 1.2 grammsúly, tehát elég kis érték, mérlegeléskor pedig jóval kisebb térfogatú testek súlyát szokták összehasonlítani. Pontos vegyi és tudományos mérlegelések alkalmával azonban a levegő felhajtó erejéből származó súlycsökkenést számításba veszik, a fizikusok nyelvén szólva, a mérlegelést a légüres térre redukálják.
Léggömbök. A levegő felhajtó ereje okozza a léggömb és a léghajó felemelkedését (aero-sztatikai felemelkedés). A léggömböt vagy a léghajót a levegőnél könnyébb gázzal töltik meg, s így elérik azt, hogy a léggömb vagy léghajó teljes súlya a szerelvénnyel, terheléssel és a benne levő gáz súlyával együtt kisebb a kiszorított levegő súlyánál, vagyis a felhajtó erőnél. A felhajtó erőnek és a súlynak a különbsége fölfelé irányuló
erő, ennek hatására a léggömb, vagy léghajó olyan magasságig emelkedik, ahol a ritkább levegőtől származó felhajtó erő a súllyal egyenlő. Ebben a magasságban a léggömb, vagy léghajó egyensúlyban marad.
A 18. század végén a MONTGOLFIER-testvérek erős vászonból nagy léggömböt készítettek s melegített levegővel töltötték meg. A gömbhöz az utasok elhelyezkedésére kosarat kötöttek. Homokzsákok lehajításával csökkentették a terhet és egyre magasabbra emelkedtek. Leszálláskor levegőt engedtek be a léggömbbe. Az első próbálkozások után mások is készítettek léggömböket. A melegített levegőt hamarosan a legkönnyebb gázzal, hidrogénnel helyettesítették. A léggömb a szelek játéka volt és soha sem vált komoly közlekedési eszközzé. A léggömböt személyszállításra ma már egyáltalán nem használják. Tudományos, különösen időjárási megfigyelések céljára kisméretű léggömbök kosarába önműködő műszereket helyeznek, és a léggömböt a magasba engedik. Idővel e kutató léggömbök visszajutnak a földre, és műszereik értékes adatokat hoznak magukkal a magas levegőrétegek időjárási és egyéb fizikai viszonyairól. Szintén tudományos megfigyelések céljából, de jóval kevésbbé magas légrétegekbe emelkednek a sztratoszférát kutató utasszállító léggömbök. A könnyű gázzal megtöltött léggömbön teljesen zárt fémgömb függ, ebben foglalnak helyet a megfigyelők és műszereik . (PICCARD léggömbje). Katonai célra kikötött léggömböket, légvédelmi záróléggömböket használnak.
Komoly közlekedési eszköz az utasszállító léghajó. Gr. ZEPPELIN 1907--ben szivaralakú léghajót szerkesztett merev aluminiumvázzal és sok rekesszel. A rekeszeket könnyű gázzal, hidrogénnel, vagy a nem gyúlékony héliummal töltik meg. A hajtóerőt nagy teljesítményű robbanómotorok termelik. A léghajót nagyméretű kormányfelületekkel kormányozzák.
|
61. kép. |
Felületi feszültség. A nyugvó víz felszíne szélesebb edényben vízszintes sík. A "vízszintes" elnevezés is innen ered. A nyugvó víz ezt a felszínalakot a nehézségi erő hatására veszi fel, mert a nehézségi erő minden helyen függőleges irányú, a nyugvó víz felszínének pedig a nehézségi erő irányára mindenütt merőlegesnek kell lennie. Ha ugyanis valahol ferdén helyezkednék el, akkor a víz részecskéi gördülékenységük miatt mint valami lejtőn legördülnének. Ha azonban a kiömlő víz cseppekre szakadozik, akkor felszíne közelítőleg gömbalakú. Tiszta üveglapra cseppentett higany majdnem pontosan gömbalakú. Kis tömegű folyadék felszíne másként alakul ki, mint a nagyobb tömegűé. Kis tömegű folyadék egyes kis részecskéire működő nehézségi erőnek kevés befolyása van a folyadékfelszín kialakítására, ilyenkor saját belső erőinek hatása alatt veszi fel a gömbhöz hasonló cseppalakot. A gömbfelszín a legkisebb mindama felületek között, amelyekkel bizonyos adott tömegű folyadékot körül lehet határolni. A folyadék belső összetartó erői azon vannak, hogy a folyadék szabad felszíne a lehető legkisebb legyen.
Nagyon érdekesek erre vonatkozólag a szappanoldattal elvégezhető kísérletek. Mindenki gyönyörködött a szalmaszál végére fújt szappanbuborék színjátékában. A szappanbuborék igen vékony gömbhéj. Szappanoldatból még más alakú felületet is kaphatunk. Ha lapos tájba elég sűrű szappanoldatot öntünk és bármilyen alakú zárt drótkeretet merítünk bele, a keretet kiemelve, a szappanoldat vékony hártyaként feszül ki rajta. Vegyünk olyan négyszögletű drótkeretet, amelynek egyik oldala mozgékony és kis kampót hordoz (61. kép). Mártsuk ezt is szappanoldatba. A kereten képződő folyadékhártyát a kampó segítségével megnyújthatjuk, mintha gumilap volna, s ha elengedjük, magától visszaugrik, felülete megkisebbedik. Ha a keretet függőlegesen helyezzük el, a kampóra függesztett kis súly segítségével meg is mérhetjük azt az erőt, amely a folyadékhártyát összehúzni igyekszik. Ez az erő annál na-
gyobb, minél hosszabb a keret mozgékony oldala. Ha a kifeszítő erőt a mozgékony drót hosszúságával elosztjuk, az egy cm-re vonalkoztatott erőt, a felületi feszültséget kapjuk. A felületi feszültség a folyadék anyagi minőségétől függ. A felületi feszültség tehát a folyadéknak azt a törekvését fejezi ki, hogy szabad felszínét minél kisebbé tegye. A felületi feszültség nemcsak kis tömegű folyadékokon és vékony folyadékhártyákon jelentkezik. Bármilyen nagy tömegű folyadék szabad felszíne is olyan rugalmas hártyaként viselkedik, amely összehúzódni igyekszik. Nagyon óvatosan, kis ügyeskedéssel a nyugvó víz felszínére varrótűt lehet fektetni, anélkül, hogy elmerülne.
Hajszálcsövesség. Ha egy poharat színig és még azon túl is homokkal megtöltünk, és a tetejére gumilapot feszítünk ki, akkor a kifeszített gumilap az alatta levő homokot annál erősebben nyomja, minél jobban kifeszítjük. Ugyanígy a folyadék szabad felszínének határán működő felületi feszültség nyomást fejt ki a felszín alatt levő folyadékrészekre.
Mérések és számítások azt mutatják, hogy ez a nyomás a felszín alakjától is függ. Bármilyen mennyiségű nyugvó folyadék felszíne az edény fala közelében sohasem sík felszín. Közismert tapasztalat, hogy a víz a tiszta üveget megnedvesíti, tehát a pohárba öntött víz a pohár belső falán felhúzódik, végeredményben a pohárba öntött víz szabad felszíne felülről nézve homorú. Ezzel szemben a higany nem nedvesíti meg a tiszta üveget; az üveghengerbe öntött higany szabád felszíne domború (62. kép). Ezek a sajátságos jelenségek a folyadék és a szomszédos szilárd anyag belső erőinek hatására lépnek fel. Megállapították, hogy a felületi feszültségből eredő nyomás domború felszín esetében nagyobb, homorú felszín esetében pedig kisebb, mint sík felszín esetében. Ha olyan közlekedő edényt készítünk, amelynek egyik szára igen kis keresztmetszetű, ú. n. hajszálcső, és e közlekedő edénybe vizet öntünk, akkor a szélesebb szárban levő víz felszíne a hajszálcsőhöz viszonyítva nagyjában síknak tekinthető. A széles csőben a nyomás nagyobb, mint a hajszálcsőben, s az így keletkező nyomáskülönbség a vizet a hajszálcsőben felemeli (63. kép). Ez a hajszálcsöves emelkedés annál nagyobb, minél kisebb a hajszálcső belső keresztmetszete. Ha a hajszálcsöves kísérletet higannyal végezzük el, akkor megfordítva a hajszálcsőben mélyebben van a higany felszíne, mint a széles csőben. A felületi feszültség következtében tehát módosul a közlekedő edények törvénye.
|
62. kép. |
63. kép. Hajszálcső. |
A hajszálcsövek jelenségének fontos szerepe van mind a gyakorlati életben, mind a természetben. Ez magyarázza meg azt, hogy az itatópapír felszívja a tintát, a lámpabél a kőolajat. Emiatt szívódik fel a tégla hajszálrésein a talajnedvesség és legalább részben ennek tulajdoníthatjuk a növények sejtszöveteinek nedvszívását.
Diffúzió. Közismert jelenség, hogy folyadékok egymással keveredhetnek. Ha vörös borba vizet öntünk, már a beöntéssel mozgásba hozzuk mind a két folyadékot, és rázás
nélkül is összekeveredik a bor a vízzel, a vizes bor színe halványabb. Lehet azonban úgy intézni a dolgot, hogy a folyadékok lassan keveredjenek. Magas, keskeny üveghengerbe öntsünk kb. félig vizet, azután a henger aljáig érő vékony üvegcsövön át óvatosan rézgálicoldatot. A kékszínű rézgálicoldat a tiszta víz alatt helyezkedik el, fölemeli a tiszta vizet.
Ha lassan öntjük be az oldatot, a két folyadék között észrevehetően megmarad a válaszfelület. Hagyjuk ezután magára a két egymásra rétegezett folyadékot. Órák múlva azt találjuk hogy a két folyadék válaszfelülete elmosódik, az eredetileg tiszta víz halványkék színűvé válik. Idő multán a keveredés mindjobban előrehalad, s napok múlva teljesen egynemű folyadék tölti be az üveghengert. A folyadékoknak ezt a lassú
|
keveredését diffúziónak nevezik. A keveredés mindkét irányban bekövetkezik és ebben nem a nehézségi erőnek van szerepe, hiszen kísérletünkben a nagyobb fajsúlyú folyadék – a rézgálicoldat – alul van. A folyékony anyag legkisebb részecskéinek sajátságos tulajdonsága, hogy utat találnak maguknak a szomszédos, elsősorban ugyanolyan halmazállapotú anyagba. Diffúzió különböző minőségű gázok között még sokkal gyorsabban bekövetkezik, mint folyadékok között. Ha pl. két, csappal elzárható gáztartó palack egyikét szénsavgázzal, a másikat levegővel töltjük meg egyenlő nyomáson, és a két palackot csővel összekötve, a csapokat kinyitjuk, akkor igen rövid idő alatt egynemű gázkeverék tölti ki mind a két palackot (64. kép). Erről a csapok elzárása és a két palack szétválasztása után vegyi úton meg lehet győződni. Itt sem a nehézségi erő hatására következik be a keveredés, mert a jelenség akkor is beáll, ha a nagyobb fajsúlyú szénsavgázt tartalmazó palack alul van. |
64. kép. Készülék gázok diffúziójához. |
Elnyelés. Gyakori a folyadék és a gáz keveredése. Ismeretes, hogy a víz mindig tartalmaz gázokat, különösen szénsavgázt. A gáznak a folyadékrészecskék közti elkeveredését elnyelésnek nevezik. Sok az elnyelt gáz az ásványvizekben. Szénsavgázt mesterségesen, nyomással visznek bele a vízbe. (Szódavízgyártás.) Még szilárd anyagok is elnyelnek gázokat, különösen a likacsos, porózus testek. Faszén pl. nagymennyiségű gázt tud elnyelni. A szilárd anyagok gázelnyelő képességét a gázálarcokban értékesítik.
Ozmózis. Két folyadék vagy két gáz néha likacsos válaszfalon át keveredik. A diffúzió ilyenkor mindenesetre lassúbb, mint közvetlen érintkezéskor. Ezt a jelenséget ozmózisnak nevezik. Nevezetes törvénye az ozmózisnak, hogy ugyanazon idő alatt a kisebb fajsúlyú folyadékból több megy át a válaszfalon, mint a nagyobb fajsúlyúból. Válaszfal lehet állati hártya vagy mázatlan porcellán. A különböző mértékű átszivárgás nyomáskülönbséget okoz; az eredetileg sűrűbb fo-
lyadék oldalán a nyomás növekedik. Az így keletkező nyomáskülönbséget ozmótikus nyomásnak nevezik.
Gázok között is van ozmózis. Az előbb említett törvény gázokra is érvényes: a könnyebb gáz nagyobb mennyiségben megy át a válaszfalon. Gázok ozmózisára alkalmas válaszfal a mázatlan porcellán.