i i “Strnad-sveca” — 2010/6/1 — 11:15 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 15 (1987/1988) Številka 6 Strani 369–373 Janez Strnad: ALI UGASNE PADAJOČA SVEČA Ključne besede: fizika, Arhimed, Einstein. Elektronska verzija: http://www.presek.si/15/915-Strnad.pdf c© 1988 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2010 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. '-,-,1/1-' r L "" ALI UGASNE PADAJOČA SVEČA? Ob prazniki h okoli novega leta smo videli pr ižgan ih veliko sveč . Prijetno in po - mirjajoče je opazovat i plamen sveče, ki se mirno vije navzgor. samo od časa do časa morda malo vztrepeta. Pri tem se navadno ne zavedamo, kako zapleten i fiz ikalni in kemijski pojavi se prepletajo pri gorenju sveče. Poskusimo jih samo površno našteti . Za radi poviša ne temperature se stali vosek na vrhu sveč e . (Dan- danes so sveče navadno sestavljene iz stearina - estra stearinske kisline .) Nasta- lo kapljevino površinska napetost dv igne navzgor po luknjicah v stenju. Na vrhu stenja nastanejo iz kapljevine p linasti ogljikovodiki. se mešajo z zrakom in gor i- jo. Pr i gorenju. to je pri spajanju og ljikovodikov s kisikom iz zraka. se sprošča sežigna to plo t a. ki jo odvajajo zgo reli plini . Del toplote se s sevan jem in preva- janjem prenese do vrha stenja in do vrha sveče. kjer se porabi za taljen je in iz- hlapevanje. Zanimajmo se samo za eno stran zapletenih pojavov, za odvisnost od težne- ga pospeška. "Od težnega pospeška?" boste rekli. "Kaj pa ima ta opravit i z go renjem?" Ima, ima . Spomnite se na Arhimedov zakon o vzgonu : na potoplje - no telo deluje tekočina z vzgonom. ki je enak teži izpodrinjene tekočine. " Po - topljeno telo " so zgoreli plini . ki imajo višjo temperaturo in zato manjšo gostoto od okolnega zraka. Ta zrak deluje nan je z vzgonom . ki povz roča tlačno raz liko in ta poganja zgorele pline navzgor. Na njihovo mesto pr it eka hladen zrak s kisikom, k i je potreben za gorenje. Tlačno razliko med točkama . ki sta druga nad d rugo . dobimo tako . da višinsko razliko točk po množi mo s težnim pospeško m in razliko gostot okolnega zraka in zgo relih plinov . To k nasta ne to - rej zaradi razl ike gostot . ta pa zaradi razlike t emper atur in ga štej em o h konvek ciji. T l ač n a razlika je sorazmerna t ud i s težnim pospeškom . Ali sveča torej ne more goreti , če je pospešek enak ni č? V opazoval nem sistemu, ki prosto pada. na primer v prosto padajočem dvigalu . je težn i po spešek enak n i č . V takem sis- t emu namreč po tekajo po javi. kot da bi se sistem gibal premo enakom erno ali mirova l d a l eč p roč od teles z veliko maso . Tako smo pr i vprašanju , ki smo ga postavili v nas lov . Marsikdo bi po ti st em . kar smo rekl i. sklepal . d a padajoča sveča ugasne . Ker ni teže (qravit acije}, ni vzgona. n i od tok a zgorelih pli nov in d oto ka sveže ga zraka s kisi kom . se ne sp rošč a sež igna toplota . vose k se ne tali in kaplje vina ne izhlapi . Tako so misli li tudi nekater i znani fiz iki , med nj imi Albert Einstei n . 369 Einstein je imel rad male fizikalne uganke, kakršna je na primer tale: Dobro zaprto svetilko vržemo s stolpa. Čeprav veter ne moti plamena, plamen ugasne, preden svetilka zadene tla. Zakaj? Odgovor: V padajoči svetilki ni gra- vitacije, zato vročih zgorelih pl inov ne odnaša vzgon in zadušijo plamen . E. Straus, Einsteinov asistent od 1944 do 1948 Uresničitev takega opazovalnega sistema vidimo, na primer, v pogosto omenjenem dvigalu, ki se je odpelo in zdaj prosto pada. Nikakor ni novo, da v njem ne opazimo učinka gravitacije. Zaradi tega bi v njem na primer ugasnila goreča sveča, ker plamen ne more obstajati brez delovanja teže na zgorele pline . Max von Laue O čem nas pouči poskus s padanjem? Ne pokaže nič drugega kot nenaden prehod plamena, ki ga napajata konvekcij a in difuzij a, k čisto difuzij skemu plamenu . V padajočisteklenici ni konvekcije zaradi razlike gostot vročih zgore- lih plinov in okolnega zraka. K. Clusius • Slika 1. Poenostavljena risba posku- sne naprave. ne produšna posoda N Ql o, dimnik iz stek la pireks .., (.) Ql x .;:.o ..,..:.:: N Ql Ql.., elekt ronski visoko- napetost ni izvir t 370 Slika 2 . Fotografije plamena sveče pri navad nem težnem pospešku Ial , pri dvoj nem težnem pospešku , ko se letalo po letu po paraboli izravna Ib}, pri pospešku zelo blizu nič (c), pri pospešku nič in električnem polju (d) in pri pospešku nič in močnejšem električnem polju (e) . Slika je vzeta iz članka F.B. Carleton, F.J. Weinberg, Electric field-induced flame convection in the absence ofgravity, Nature ~~ (1987) 635. 371 Toda vse kaže, da navedeni odgovor ne drži. O tem pričajo poskusi s svečo v stek lenici , ki je privezana na dolgo vrv in jo spust ijo izpod stropa predavalnice. V temi dobro opazimo, da se plamen spremeni, ko začne sveča padati. Oslabi in postane kroglast , a ne ugasne. Ugasne pa, ko sunek vrvi zadrži steklenico . Sveča torej ne ugasne zato , ke r n i težnega pospeška, ampak zato, ker težni pospešek nenadoma nastopi in povzroči vzgon . Ta posrka zgorele pline od stenja in hladen zrak vdre s strani prot i stenju in upihne plamen . Znani fizikalni kemik Klaus Clusius se je s sodelavci ponovno prepričalo tem leta 1963 .9 milimetrov debele sveče je dal v litrske steklenice in jih spustil z vratom navzdol - okoli vratu je pritrdil polkilogramski svinčeni obroč - z 19 metrov visoke stavbe fizikalno-kemijskega inšt it ut a v Zurichu . V steklenici je bilo dovolj zr aka , da so sveče go rele 30 sekund. Vseh pet poskusov je potekalo enako. Ko so steklenico spusti li, se je plamen napihnil in -oslabe l, Tak je ostal 2 sekundi , ko likor je trajalo padanje. Ugasnil je šel e ob padcu . Poskuse so nada- ljeva li s 55 metrov visoke stavbe kantonske bolnišnice. Izid poskusov je bil enak. Sedem opazovalcev se je strinjalo v tem, da med 3 ,3 sekunde trajajočim padanjem sveče n iso ugasnile in da so ugasnile ob padcu. Na diiuzijo, to je na mešanje dveh plinov na molekulski ravni , ne d a b i se pojavil tok plina (veter), teža ne vpliva . Oblika d ifuzijskega plamena je krogla- st a in pov ršina večja kot površina konvekcijsko-difuzijskega plamena . Tok pli- nastih ogljikovodikov iz stenja se nadaljuje še potem , ko preneha dotok kisika s konvekci]o. Difuzijske plamene, k i gorijo, četudi ni teže , je že leta 1952 opa- zova l H. Mayer. Raziskoval je gorenje vodika v okolju iz 82% helija in 18% kisi - ka . Čim manj je bil povečan tlak vodika v posodi , iz katere je iztekal , t em bolj je bil p lamen okroge l in tem bolj se je bližal difuzi jskemu plamenu. Pri manjhi tl ačni razl ik i je dobil popolnoma okrogel plamen . V tem primeru ni pr išlo do znat ne konvekcije, ker se gostoti zgorel ih plinov in okolnega plina nista znatno razl ikovali. Go renje sveč pri znižanem tlaku je zanimalo že mnogo prej Jo hna Tynda lla . Leta 1859 je opazoval tudi gorenje sveče na Mt. Blancu. Difuzijsk i p lamen sve če ne ugasne , če toplotni tok, ki se sprošča v njem , zadošča , da se s sevanjem in prevajanjem stali dovolj voska in izhlapi dovolj kapljevine.Tod a vč asih je t reba dovolj do lgo počakati, t ud i minuto in več, da na stanejo stacionarne razm ere, ko se s časom nič več ne spreminja . Pr i posku - sih s padanjem steklenic tega ni mogoče o pazovati. Tudi če bi ime li dovo lj viso- ko stavbo, se za radi zračnega upora st ekl enice nje na h it ro st us ta li že po 15 sekundah . Poskuse pa bi bilo mogoče d e lati na let alu, ki let i z ugasnjenimi motorji po parabo li, ali na ume t nih satelit ih . Kot kaž e, doslej še niso del ali poskusov na umet nih sate lit ih . Delali pa so jih na let alih, ki so v poskusne namene letela z ugasnjen imi motorji po paraboli. 372 Walter Gerlach - postal je znamenit po Stern-Gerlachovem poskusu s curkom atomov srebra, ki je napovedal obstoj elektronskega spina - je kazal drugačen poskus. Majhno, s plinom polnjeno žarnico, katere nitka šibko sveti, spustimo na dolgem kablu, da pade z dovolj velike višine. Med padanjem žarni- ca precej močneje sveti, ker nitka izgublja toploto samo s prevajanjem in ne s prevajanjem in konvekcijo kot v mirovanju . Poskuse s padajočo svečo in s pada- [o čo žarnico lahko ponovijo tudi bralci Preseka. V takem letalu potekajo poskusi kot v prosto padajočem dvigalu. F.B . Carleto- na in F.J . Weinberga z imperialnega koledža v Londonu je zanimalo,ali bi bilo mogoče poganjati plamen z električnim poljem namesto s težo. Gretje s plame- nom, ki je razmeroma zelo učinkovito , bi namreč utegnilo priti prav tudi na umetnih satelitih . Če se hočemo izogn iti tlačni posodi ali puhalu, ki poskrbi za vsiljeno konvekcijo, in s tem zvezane dodatne mase - izstreliti jo je treba v vesolje -.je električno polje kar pripravno . V plamenu ogljikovodikov nastane obilo pozitivnih ionov, spočetka pred- vsem H 30+, in elektronov. V močnem električnem polju , ki pa še ne povzroč i preboja, ioni trkajo z molekulami zraka in poganjajo plinski tok, podobno kot ga povzroči teža preko vzgona. Tak tok je že leta 1899 opazoval K.P. Chattock. Carleton in Weinberg sta ugotovila, da je z električnim poljem mogoče doseči celo do osemstokrat tolikšen tok kot s težo. Pri tem hitrost plina ne preseže dobrih 5 metrov na sekundo, a to za plamen popolnoma zadostuje. Največja gostota električnega toka po čelnem prese ku plamena ne preseže četrt ampera na kvadratni centimeter in ustrezna ploskovna gostota električne moči ne desetino vata na kvadratni centimeter. Elektronski visokonapetostni izvir je zato grajen lahko za majhno moč in je zelo lahek. (V uporabi je celo že elektro- stati čni pršilec insekticidov, ki shaja z drobno baterijo vročaju.) Zaradi varnosti so delali poskuse s svečo. ne pa s kakim večjim plamenom. Električno polje so ustvarili med navpičnima kosoma kovinske tkanine. Poziti- vno elektrodo so približali plamenu (slika 1). Na dolgi poti po zraku se elektro- ni obesijo na molekule in nastanejo negativni io ni, ki potujejo po zraku podo- bno kot pozitivni ioni. Če bi bil plamen na sredi med elektrodama, bi se zato razdelil na dva simetrična dela. Poskuse je finansirala Evropska vesoljska agencija ESA na letalu KC 135 Severnoameriške vesoljske agencije NASA v Houstonu . Letalo je letelo po pa- raboli z ugasnjenimi motorji do 30 sekund. Tudi v tem času še niso dosegli stacionarnih razmer . a čas je bil dovolj dolg, da so posneli posrečene fotogra - fije (slika 2). Brez električnega polja je nastal okrogel difuzijski plamen, ki je bil s prostim očesom komaj viden, a ni ugasnil. Janez Strnad 373