Tekutiny
V roce 1927 zahřál profesor Thomas Parnell černou dehtovou smolu (anglicky pitch), nalil ji do skleněné nálevky a nechal ji tři roky ustálit. Smola při pokojové teplotě působí jako pevná látka: je tvrdá, křehká a po úderu kladivem se může roztříštit. Po otevření nálevky však začala neobyčejně pomalu téct. První kapka se oddělila až po osmi letech a za téměř sto let jich spadlo jen devět. Experiment s kapající smolou tak ukazuje, že o chování látky rozhoduje také časové měřítko pozorování.
Sledovat živý přenos experimentu
Zobrazit odpověď
Smola se v tomto experimentu chová jako mimořádně viskózní kapalina: teče, jen velmi pomalu. Med i vzduch jsou také tekutiny. U zubní pasty a kečupu závisí chování na působícím namáhání; patří mezi nenewtonovské tekutiny. Asfalt je složitější materiál a v běžném životě jej často považujeme za pevný, v dostatečně dlouhém čase nebo při vyšší teplotě se však může deformovat a téct. Hranice mezi „pevné“ a „tekuté“ proto u některých materiálů není na první pohled samozřejmá.
Co jsou tekutiny?
Tekutiny jsou látky, které se mohou trvale deformovat a téct. Patří mezi ně kapaliny i plyny. Jejich částice se vůči sobě mohou přesouvat, takže tekutina neudrží vlastní tvar.
Tato definice není založena jen na tom, zda látku vidíme „téct“. Vzduch v uzavřené místnosti se může zdát nehybný, přesto je plynem, a tedy tekutinou. Naopak velmi viskózní látka může během krátkého pozorování působit jako pevná.
Které z následujících látek jsou tekutiny?
Kapalina a plyn: v čem se liší?
Kapalina
- má přibližně stálý objem,
- v gravitačním poli vytváří volný povrch,
- je jen málo stlačitelná.
Plyn
- vyplní celý dostupný objem,
- nemá volný povrch,
- lze jej snadno stlačit.
| Vlastnost | Kapalina | Plyn |
|---|---|---|
| Vlastní tvar | nemá | nemá |
| Vlastní objem | přibližně ano | ne |
| Stlačitelnost | malá | velká |
| Volný povrch | ano | ne |
Proč kapalina vyplní nádobu jen po určitou výšku, ale plyn celý její objem?
Částice kapaliny jsou blízko u sebe a vzájemné přitažlivé síly je udržují pohromadě. Kapalina proto zachovává přibližně stálý objem. Částice plynu jsou mnohem dále od sebe a pohybují se po celém dostupném prostoru, takže plyn nemá vlastní objem a nádobu vyplní.
Lze vodu stlačit?
Ve školních úlohách často říkáme, že kapaliny jsou nestlačitelné. Přesnější tvrzení zní: kapaliny jsou za běžných podmínek velmi málo stlačitelné. Jejich objem se s tlakem mění, ale mnohem méně než objem plynů.
Při pokojové teplotě zmenší zvýšení tlaku přibližně o jednu atmosféru objem vody asi o 0,0046 %. Jeden litr vody by se tedy zmenšil přibližně o 0,046 ml.
Odhad stlačení vody
Proč tedy v hydrostatice považujeme vodu za nestlačitelnou?
Protože pro běžné tlakové změny je relativní změna hustoty i objemu velmi malá a její zanedbání podstatně zjednoduší model. Není to tvrzení o absolutní nestlačitelnosti vody, ale vhodná aproximace. Při velmi vysokých tlacích, například v hlubokém oceánu, už změnu nelze vždy zanedbat.
Ideální a reálná tekutina
Fyzikální model vybírá jen vlastnosti důležité pro řešený problém. Ideální tekutinu budeme považovat za dokonale tekutou, nestlačitelnou a bez vnitřního tření. Reálné kapaliny a plyny tyto podmínky splňují jen přibližně.
Proč používáme model, o kterém víme, že není dokonale pravdivý?
Protože dobrý model nemusí zachytit každý detail. Musí zachytit vlastnosti, které rozhodují o sledovaném jevu. U pomalého proudění medu je viskozita zásadní; při jednoduchém výpočtu tlaku ve sklenici vody ji naopak často nepotřebujeme.
Viskozita: jak obtížně tekutina teče
Viskozita popisuje vnitřní tření v tekutině. Čím je viskozita větší, tím více tekutina klade odpor vzájemnému posouvání svých vrstev. Voda teče snadno, med pomaleji a smola z úvodního experimentu mimořádně pomalu. Viskozita navíc obvykle závisí na teplotě.
U newtonovské tekutiny je při dané teplotě viskozita přibližně stálá. U nenewtonovské tekutiny se zdánlivá viskozita mění podle rychlosti deformace nebo podle doby a způsobu namáhání.
Kečup a zubní pasta
Po zatřesení nebo zmáčknutí začnou téct snáze. To je praktické: pasta drží na kartáčku a kečup po vytečení z láhve zůstává na jídle.
Suspenze škrobu ve vodě
Při pomalém pohybu teče, při prudkém nárazu výrazně ztuhne. Její zdánlivá viskozita s intenzitou namáhání roste.
Rozhodněte podle popisu
Látka teče pomalu při mírném naklonění, ale při prudkém stlačení klade podstatně větší odpor. Jak ji nejlépe označíme?
Proč jsou tekutiny důležité?
Historická souvislost: od vody v potrubí k proudění krve
Francouzský lékař a fyzik Jean Léonard Marie Poiseuille zkoumal v 19. století proudění kapalin velmi tenkými trubicemi. Zajímal jej především průtok krve vlásečnicemi. Výsledný vztah dnes používáme nejen pro proudění v potrubí, ale také při popisu odporu cév.
Zvlášť důležitý je poloměr trubice: u laminárního proudění newtonovské tekutiny je průtok úměrný jeho čtvrté mocnině. I malé zúžení cévy proto může výrazně zvýšit odpor proti proudění. Skutečná krev je však složitá suspenze buněk a nechová se za všech podmínek jako jednoduchá newtonovská tekutina.
Co z historie zařadit už nyní a co nechat na později?
V úvodní kapitole stačí motivace: stejné fyzikální pojmy spojují potrubí, cévy a proudění vzduchu. Samotný Poiseuilleův zákon, tlakové ztráty a podmínky laminárního proudění je vhodnější odvodit až v kapitole věnované proudění a viskozitě.
Procvičení
1. Kapalina, nebo plyn?
Látka nemá vlastní tvar, vyplní celý uzavřený prostor a lze ji snadno stlačit.
2. Vyberte vhodný model
Počítáme tlak vody na dně klidné nádoby. Kterou vlastnost můžeme v prvním přiblížení zanedbat?
3. Viskozita a teplota
Proč se zahřátý med obvykle nalévá snáze než studený?
Časté omyly
- „Tekutina znamená kapalina.“ Tekutinami jsou kapaliny i plyny.
- „Plyn nemá hmotnost.“ Plyn je tvořen částicemi, má hmotnost i hustotu.
- „Kapalina je dokonale nestlačitelná.“ Reálné kapaliny jsou málo, nikoli nulově stlačitelné.
- „Hustá kapalina má vždy velkou viskozitu.“ Hustota a viskozita jsou různé veličiny. Jedna popisuje hmotnost v jednotce objemu, druhá odpor proti tečení.
- „Látka, která teče pomalu, už není tekutina.“ Rychlost tečení závisí na viskozitě, rozměrech, silách i časovém měřítku.
- „Ideální tekutina je nejčistší skutečná kapalina.“ Jde o teoretický model, ne o druh materiálu.
- „Viskozita je vlastnost jen kapalin.“ Viskozitu mají i plyny.
Česko-anglický slovníček
- tekutina
- fluid
- kapalina
- liquid
- plyn
- gas
- proudění
- flow
- viskozita
- viscosity
- vnitřní tření
- internal friction
- stlačitelnost
- compressibility
- nestlačitelný
- incompressible
- volný povrch
- free surface
- hustota
- density
- ideální tekutina
- ideal fluid
- reálná tekutina
- real fluid
- newtonovská tekutina
- Newtonian fluid
- nenewtonovská tekutina
- non-Newtonian fluid
- laminární proudění
- laminar flow
- odpor prostředí
- drag