Dotazy a odpovědi

Proč vodopád teče po šťouchnutí větví do jezu jinak?

Datum odpovědi: 11. 9. 2024

1126

Dotaz:

Jak lze vysvětlit tento jev? https://www.instagram.com/theregrowthproject/reel/C2xAL5BO0eu/
Zdroj obrázku: Canva

Minutová odpověď:

1)

Voda tekoucí přes jez má dva stabilní módy – jeden při nízkém průtoku, jeden při vysokém.

2)

Ve videu teče voda přes jez právě tak rychle, že už by se skoro ráda odlepila od svislé konstrukce jezu.

3)

Popošťouchnutí proudu větví stačí na to, aby se voda skutečně odlepila a přepnula do druhého stabilního módu toku.
Zdroj obrázku: Canva

Celá odpověď:

Nejprve je třeba zdůraznit, že na základě jednoho videa je těžké s naprostou jistotou říct, co za jevem stojí. Vědecký přístup by byl navrhnout možné vysvětlení a na jeho základě se pokusit jev zopakovat jinde. Ideálně by nám takové vysvětlení dalo matematický model toho, kdy k jevu dojde. Ten bychom pak mohli experimentálně ověřit a získat ve vysvětlení jistotu. Pravděpodobně se však jedná o příklad tzv. fázové změny [1], podobně jako třeba mrznutí vody. 

Voda tekoucí přes jez má dva módy, jak může proudit. Zaprvé, pokud je proud pomalý, voda jen volně přepadává přes okraj jezu a má nízkou pohybovou energii. To je stav na začátku videa. Konstrukce jezu na vodu působí díky povrchovému napětí vody tak trochu jako lepidlo [2]. To známe dobře z každodenního života – kapka vody se může udržet na konci krápníku visícího ze stropu jeskyně poměrně dlouho, než ukápne. 

Zadruhé, pokud je proud rychlý, tendence vody přilnout k povrchu jezu nestačí na zadržení rychle tekoucí vody. Ta se proto od jezu odlepí a padá po křivce vrhu na hladinu pod jezem, jako na konci videa. Křivku vrhu zná každý, kdo si někdy v životě házel míčem. Matematicky se (přibližně) jedná o takzvanou parabolu [3]. 

Podle rychlosti toku bude jeden, nebo oba tyto módy stabilní. Všechny ostatní křivky, po nichž by voda mohla téct, stabilní nejsou nikdy a tření rychle tok ustálí v jednom ze stabilních modů.

Představme si nyní jez v prvním módu. Voda plyne velmi pomalu a volně stéká po konstrukci. Náhle ale zaprší a proud vody zesílí. Je skoro dost silný na to, aby vodu od jezové konstrukce odlepil, ale ne docela. Kdyby jezová konstrukce vodu nepřitahovala, tok by se ustálil v přibližné parabole druhého módu, přilnavost povrchu tomu ale zabraňuje. To je situace ve videu. Nyní přijde člověk s větví a vodu trochu popostrčí. Na místě, kde k popostrčení došlo, tak vodu oprostí od přitažlivosti jezové konstrukce a přepne ji tak do druhého módu. Jenže vodu nepřitahuje jen jez – přitahuje ji i další voda. Díky tomu se náhle usnadní přechod do druhého módu i proudu těsně vedle. Spustí se tak řetězová reakce, která nakonec způsobí přepnutí do druhého módu celého jezu. 

Z energetického hlediska malé pošťouchnutí dodalo proudu dostatek energie na opuštění jednoho stabilního stavu a přechod do druhého stabilního stavu, podobně jako když i malé postrčení sklenice na stole může způsobit, že se převrátí a spadne na zem – do dalšího stabilního stavu, který má nižší energii. 

Pro Zeptej se vědce odpovídal Jonáš

Zdroje:

[1] https://www.web.stanford.edu/~peastman/statmech/phasetransitions.html 

[2] https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/11-8-cohesion-and-adhesion-in-liquids-surface-tension-and-capillary-action 

[3] https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Calculus-Based_Physics_(Schnick)/Volume_A%3A_Kinetics_Statics_and_Thermodynamics/13A%3A_Freefall_a.k.a._Projectile_Motion 

Odpovídal

(Freie Universität Berlin)

Odborná recenze:

(Queen’s University in Kingston, Ontario)

Editace textu:

(IT4Innovations (Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava))
(Ústav analytické chemie, VŠCHT Praha)
Kategorie: Fyzika a chemie

Mohlo by se vám líbit: