Červenec 2012

Jak vzniká teplotní inverze

31. července 2012 v 19:50
JAK VZNIKÁ TEPLOTNÍ INVERZE
Teplotní inverze je postrachem obyvatel průmyslových oblastí, například severních Čech. Při ní se nad krajinou vytváří nehybný příkrov vzduchu, který brání rozptylování škodlivin a způsobuje prudké zhoršení životního prostředí. V tomto pokusu vytvoříme kapalinový model teplotní inverze.
Základní potřeby:
  • zavařovací sklenice nebo větší kádinka
  • nálevka
  • kuchyňská sůl
  • potravinářské barvivo (2 barvy)
Provedení pokusu:
Nejprve si připravíme asi půl litru nasyceného roztoku kuchyňské soli. Sůl sypeme do vody a promícháváme tak dlouho, až už se další sůl nerozpouští. Roztok mírně obarvíme několika zrnky modrého potravinářského barviva. Zatímco čistá voda má hustotu 1 g/cm3, nasycený roztok soli má hustotu 1,2 g/cm3. Právě tento rozdíl hustot nám umožní znázornit podstatu teplotní inverze: čistá voda představuje lehčí teplý vzduch, zatímco roztok soli s větší hustotou představuje chladný vzduch.
Sklenici nebo kádinku naplníme do poloviny čistou vodou. Nálevku ponoříme do vody tak, aby její dolní konec byl těsně nad dnem. Pomalu a opatrně do nálevky lejeme modře zbarvený roztok soli, který se rozprostře pod vrstvou čisté vody. Solný roztok lejeme tak dlouho, až je sklenice téměř plná. Model znázorňuje inverzní situaci, kdy je na horách vyšší teplota vzduchu než v nížinách.
Vhodíme na hladinu několik zrnek červeného barviva, které představuje nečistoty v ovzduší (např. kouř z továrních komínů). Zjistíme, že klesající barvivo zůstane na rozhraní čisté vody a roztoku soli, podobně jako při teplotní inverzi narůstá vrstva nečistot na rozhraní mezi studeným a teplým vzduchem. Teprve promícháním vrstev vody se zelené barvivo rozptýlí v celém objemu.

Trochu meteorologie:
Spodní vrstvy atmosféry (troposféra) se ohřívají hlavně od zemského povrchu a proto v troposféře ubývá teploty s výškou - na každých 100 m výšky klesne teplota asi o 0,6oC. Zahřátý vzduch stoupá vzhůru a na jeho místo klesá chladný vzduch, vzdušné vrstvy se tak promíchávají a případné nečistoty v ovzduší se rozptylují.
Za určitých podmínek se však může stát, že vrchní části atmosféry mají vyšší teplotu než vrstvy přízemní. Tento jev se nazývá teplotní inverze a nejčastěji k němu dochází za jasných klidných nocí, zejména v zimě. Zemský povrch se silně ochlazuje vyzařováním tepla a tím se silně ochladí také vzduch v údolích. Těžké vzduchové vrstvy zůstávají v údolích bez pohybu a nečistoty vypouštěné do ovzduší (průmysl, doprava) se nemohou rozptylovat, kvalita vzduchu se proto zhoršuje. Teplotní inverze skončí teprve s příchodem větrů, které promísí vrstvy teplého a studeného vzduchu a pročistí ovzduší vyfoukáním a rozptýlením nečistot do většího prostoru.

Měříme vítr

31. července 2012 v 19:48 Pokusy ve Fyzice

Větrné elektrárny
vyrábějí elektrickou energii přeměnou z energie proudícího vzduchu. Stavba těchto typů elektráren má smysl jen tam, kde vane vítr často a dostatečnou rychlostí (na horách, na mořském pobřeží). Směr a rychlost větru se měří anemometrem.
Základní potřeby:
  • modelářské lišty, prkénko, trubička
  • tenký hliníkový plech
  • plastové lahve
  • montážní materiál
Stavba modelů anemometru:
1. Větrný kříž
Základem konstrukce je kříž sestavený ze dvou kolmých modelářských lišt o průřezu
20 x 5 mm. Ve středu kříže je osa ze šroubu M6, dlouhého aspoň 80 mm.
Na konce křížových ramen šroubkem upevníme lehké misky zachycující vítr. Snadno je získáme například opatrným odříznutím dolní části půllitrových plastových PET lahví. Přišroubované misky pro zpevnění spoje ještě oblepíme samolepící páskou.
Dále zhotovíme rukojeť z vypsaného barevného fixu. Fix nejprve rozebereme: plochými kleštěmi vytáhneme kreslící hrot a zátku trubice, pak špejlí vytlačíme barvící vložku. Od spodního konce, v němž byl zasazený hrot, odřízneme úsek stejně dlouhý jako použitý šroub M6. Dovnitř trubičky vložíme větší ocelovou ložiskovou kuličku a řádně ji zatlačíme do zúžené části trubičky. Šroub - osa se bude při otáčení opírat o kuličku a tím se zmenší jeho tření.
Při měření rychlosti větru zvedneme rukojeť s větrným křížem a podle počtu otáček usuzujeme na rychlost větru.
2. Větrná tabule
Jednoduše a poměrně přesně můžeme měřit rychlost větru také výchylkou větrné tabule.
Obdélník tenkého hliníkového plechu zavěsíme dvěma malými kroužky na hřídelku z ocelového nebo mosazného drátu, ve které jsou pro kroužky vytvořeny malé prohlubně.Hřídelka je upevněna v protilehlých stojanech. K jednomu stojanu je přichycena čtvrtkruhová stupnice z nabílo natřeného hliníkového plechu nebo plastu.
Při měření namíříme přístrojek proti větru a na stupnici odečteme výchylku otočného obdélníku od svislé roviny. Stupnici můžeme zkusmo ocejchovat přímo v metrech za sekundu podle níže uvedené tabulky.
Trochu meteorologie:
Profesionální anemometr pracuje na podobném principu jako větrný kříž: jeho tři nebo čtyři lehké hliníkové misky se otáčejí ve vodorovné rovině a pohánějí malý generátorek nebo elektronický čítač otáček. Velikost napětí vznikajícího elektrického proudu závisí na rychlosti otáčení generátorku a tedy i na rychlosti větru. Meteorologové mohou jednak přesně zjistit rychlost a směr větru, jednak tyto údaje současně zaznamenává a zpracovává připojený počítač. Princip měření rychlosti proudění vzduchu si můžeme vyzkoušet také na našem modelu větrné elektrárny (vozík s vrtulí).
Rychlost větru se dá odhadnout podle jeho projevů:
0 - úplné bezvětříkouř stoupá svisle vzhůru, listy na stromech se nehýbou
1 - mírný tah vzduchurychlost 2 až 6 km/hkouř se mírně odchyluje
2 - lehký vánekrychlost 7 až 12 km/hpohybují se listy na stromech
3 - vánekrychlost 13 až 18 km/hlisty na stromech jemně šumí, hýbe se vlajka na stožáru, lehce se vlní vodní hladina
4 - mírný vítrrychlost 19 až 26 km/hlehce se hýbou větve a špičky stromů, vlajka se nadouvá
5 - čerstvý vítrrychlost 27 až 35 km/hpohybují se větve, šumí lesy, vítr se opírá do těla, po hladině běží vlny
6 - silný vítrrychlost 36 až 44 km/hhučí lesy, vysoké vlny na hladině
7 - prudký vítrrychlost 45 až 54 km/hprohýbají se kmeny stromů, vítr ztěžuje chůzi
8 - bouřlivý vítrrychlost 55 až 65 km/hlámou se větve stromů
9 - vichřicerychlost 66 až 77 km/hpadá krytina ze střech
10 - silná vichřicerychlost 78 až 90 km/hlámou se stromy, polomy a vývraty
11 - mohutná vichřicerychlost 91 až 104 km/htříští se sklo v oknech, kácejí se ploty, padají zdi
12 - orkánrychlost nad 104 km/hvítr odnáší střechy,

Tepelné měřidlo

31. července 2012 v 19:46 Pokusy ve Fyzice
TEPELNÉ MĚŘIDLO
Průchodem elektrického proudu se vodiče zahřívají. Tato přeměna elektrické energie na teplo se běžně používá v technice i v domácnostech, např. v hutních pecích, v topných tělesech, žehličkách, páječkách i v nejběžnějších světelných zdrojích - žárovkách. Sestrojíme si jednoduchý ampérmetr, ve kterém se také využívá tepelných účinků procházejícího stejnosměrného nebo střídavého proudu.
Základní potřeby:
  • silnější překližka nebo prkénka
  • dvě přístrojové zdířky
  • odporový drát
  • pružinka
  • kladka s ukazatelem
Konstrukce přístroje:
Před stavbou přístroje si opatříme tenký odporový drát - můžeme jej koupit
v radioamatérské prodejně, případně rozebráním drátového rezistoru pro větší zatížení.
K základní desce o rozměrech 20 x 10 cm upevníme asi 20 cm vysokou zadní stěnu s nalepeným papírem pro stupnici. Do předvrtaných otvorů přišroubujeme dvě přístrojové zdířky a osu s nasazenou kladkou ukazatele. Mezi zdířky napneme odporový drát a do jeho středu přivážeme tenkou šnůrku s háčkem. Šnůrku obtočíme jednou kolem kladky, na háček nasadíme jemnou spirálku a druhý konec spirálky zachytíme hřebíčkem k základní desce. Kladku natočíme tak, aby ukazatel směřoval na nulový dílek budoucí stupnice.
Přístroj je nyní připraven k demonstraci: připojíme-li zdroj malého napětí (plochou baterii, nebo raději akumulátor) přes malý odpor nebo žárovku, začne se průchodem proudu odporový drát zahřívat a prodlužovat. Toto prodloužení se šnůrkou přenese na kladku a ukazatel se vychýlí doprava.
Zhotovený přístroj můžeme použít jako jednoduchý ampérmetr, pokud se ovšem smíříme s nevelkou přesností měření.
Budoucí měřidlo musíme nejprve ocejchovat porovnáním výchylky jeho ukazatele s výchylkou ručky nějakého továrně vyrobeného ampérmetru. Kromě ampérmetru budeme potřebovat ještě reostat (proměnný odpor) s odporem asi 30 ohmů a zdroj proudu, nejlépe akumulátor. Všechny součástky zapojíme do obvodu podle obrázku, reostat nastavíme na největší odpor. Po připojení zdroje nastavíme reostatem velikost procházejícího proudu na hodnotu 0,5 A, počkáme na ustálení teploty odporového drátu a na stupnici tepelného měřidla nakreslíme rysku. Pak postupně zvětšováním odporu nastavujeme proud 0,4 A, 0,3 A atd. a po ustálení teploty vyznačíme odpovídající výchylky na stupnici. .
Všechny potřebné pomůcky pro cejchování nám jistě zapůjčí správce školního fyzikálního kabinetu.

Trochu teorie:
Teplota drátu (a tedy jeho prodloužení) roste zhruba s druhou mocninou proudu. Dvakrát větší proud způsobí čtyřikrát větší prodloužení drátu. Stupnice tepelného měřícího přístroje proto není lineární, její dílky se směrem k vyšším hodnotám proudu zvětšují. Údaje našeho měřícího přístroje závisí nejen na velikosti měřeného proudu. Mohou být značně ovlivněny i případným ochlazováním odporového drátu prouděním okolního vzduchu. Abychom tento vliv vyloučili, můžeme celý přístroj zabudovat do vhodné krabice s průhledným okénkem před stupnicí. Drát se zahřívá, a tedy prodlužuje, při průchodu stejnosměrného i střídavého proudu. Tepelným měřícím přístrojem můžeme měřit bez jakýchkoliv úprav velikost obou druhů proudu.
Podobně jako u jiných měřících přístrojů bychom mohli měnit rozsah ampérmetru paralelním zařazením vhodných rezistorů, bočníků. Naše tepelné měřidlo je však spíše jen zajímavou ukázkou využití dvou známých fyzikálních zákonitostí
  • průchodem proudu se kovový vodič zahřívá
  • zahříváním se kovový drát prodlužuje
Popsaným tepelným měřícím přístrojem nemůžeme měřit napětí, protože voltmetr musí mít velký vnitřní odpor a tuto podmínku uvedené měřidlo vůbec nesplňuje. Ostatně pro přesnější elektrická měření raději použijeme elektromagnetický měřící přístroj zhotovený podle dalšího návodu v naší encyklopedii, případně některý z široké nabídky digitálních měřidel.

Výroba ptačí budky

31. července 2012 v 19:29 Vyrob si sám
Jestli máte rádi přírodu a rozhodli jste se, že uděláte dobrý skutek, máte příležitost si podle našeho návodu najít nové kamarády mezi ptactvem tím, že jim postavíte domeček. Můžete začít třeba hned...

Každá ptačí budka musí odpovídat způsobu života a zvyklostem opeřenců, jinak zůstane neobydlena. Dbáme, aby budka nebyla příliš zastíněna větvemi. Vletový otvor má směřovat na východ nebo jihovýchod. Špačkům dáváme budky do blízkosti polí a luk, pro sýkorky a rehky do zahrad a sadů. Budky by měli být vzdáleny od sebe minimálně 20m, aby nedocházelo ke sporům mezi páry, které hledají potravu pro mladé.
Rozměry budek (cm)
menší druhy sýkor
sýkory, brhlíci, lejsci
strakapoudi, sýkory, špačci
dudci, poštolky, menší sovy
dno
12 x 12
12 x 12
15 x 15
20 x 20 - 30 x 30
průměr vletu
2,8
3,2 - 3,5
4,7 - 5
9 - 13
vnitřní výška budky
20 - 25
20 - 25
26 - 28
35 - 40
zavěsit nad zemí (m)
2 - 8
2 - 8
4 - 8
6 - 12
Postup
1. Prkna z vnější strany ohoblujeme. Na vnitřní straně mohou zůstat hrubá. Pokud nemáme k dispozici hoblík, očistíme důkladně venkovní stranu smirkovým papírem.

2. Ke zhotovení budky použijeme smrková prkna 20 mm silná, aby chránila obyvatele budky před vnějším chladem, teplem i deštěm. Připravíme si 2 prkna o šířce 15 a 19 cm, na které si narýsujeme rozměry jednotlivých dílů. Na prkno široké 15 cm vyznačíme zadní stěnu o délce 30 cm, dno o délce 15 cm a přední stěnu o délce 35cm. Na prkno široké 19 cm vyznačíme střechu budky o délce 30 cm a dva lichoběžníky tvořící boční stěny (delší strana 35cm, kratší 30cm). Šikmou horní plochu děláme kvůli lepšímu odvodu vody ze stříšky.


3. Vyřízneme podle nákresu jednotlivé části budky.


4. Vletový otvor pro ptáky na čelní straně vyřízneme 17 cm od horního okraje. K vyříznutí je ideální tzv. děrovací pila, která se nasazuje do sklíčidla elektrické vrtačky. Je velmi důležité jaký průměr otvoru zvolíme. Rozměry naší budky vyhovují strakapoudům, krutihlavům, sýkorám a špačkům, proto jsme zvolili průměr vletového otvoru 4,8 cm. Bidýlka před vletovým otvorem jsou nevhodná, usnadňují zásah škodné do budky.


5. Prkno přední a zadní stěny budky musíme hoblíkem nebo rašplí zkosit tak, aby stříška k těmto stěnám dolehla celou plochou. Úhel si vyznačíme pomocí přiložené boční stěny.


6. Nyní máme vše připraveno ke smontování. Nejprve si však předvrtáme otvory pro vruty. Kdybychom tak neučinili, mohlo by se stát, že při sešroubování budky její jednotlivé části popraskají. K sešroubování jednotlivých dílů použijeme vruty do dřeva o délce 40 mm. Budka se musí občas čistit, a proto má mít odnímatelnou stříšku nebo jednu ze stěn. Proto jsme pro spojení dílů použili vruty, a ne hřebíky. Lze ji tak snadno rozšroubovat.


7. Máme-li budku sešroubovanou, připevníme k její zadní stěně závěsnou lištu. Lišta zhotovená z laťky 8x50 cm slouží k přichycení budky na strom. Tento krok však můžeme vynechat, pokud již máme pevné stanoviště pro umístění naší budky.


8. Budku opatříme vhodným ochranným nátěrem. Natřeme ji nenápadnou hnědou nebo zelenou barvou, výraznějších barev se totiž ptáci bojí. Pokud však nemáme k dispozici žádnou vhodnou barvu, nic se neděje. Budku můžeme nechat klidně i nenatřenou.
Potřebné nástroje
Potřebný materiál
pilka
prkno 15x2cm délka 85cm
vrtačka + vrtáky
prkno 15x2cm délka 100cm
metr
vruty do dřeva
hoblík nebo smirkový papír
barva + štětec
tužka