Cartesian Diver Experiment:Exploring Booyancy &Boyle's Law

Το καρτεσιανό επιστημονικό πείραμα δυτών απεικονίζει τον νόμο και την άνωση του Boyle.

Οκαρτεσιανός δύτης είναι ένα κλασικό επιστημονικό πείραμα που καταδεικνύει τις αρχές της άνωσης και της πίεσης με διασκεδαστικό και συναρπαστικό τρόπο. Πήρε το όνομά του από τον Γάλλο μαθηματικό και φιλόσοφο René Descartes, το πείραμα έχει συναρπάσει μαθητές και λάτρεις για αιώνες.

Τι είναι ο Καρτεσιανός δύτης;

Ένας καρτεσιανός δύτης είναι ένα μικρό, σφραγισμένο δοχείο που είναι μερικώς γεμάτο με αέρα και τοποθετείται σε ένα μεγαλύτερο δοχείο με νερό. Όταν ασκείτε πίεση στο δοχείο, ο καρτεσιανός δύτης βυθίζεται και όταν απελευθερώνεται η πίεση, αυξάνεται. Το πείραμα καταδεικνύει τη σχέση μεταξύ όγκου, πίεσης και άνωσης και είναι μια πρακτική εφαρμογή των νόμων και των αρχών των αερίων που ανακαλύφθηκαν από τον Descartes και τους συγχρόνους του.

Το όνομα:Καρτεσιανός δύτης

Ο Καρτεσιανός δύτης ή πείραμα Καρτεσιανό διάβολο πήρε το όνομά του από τον Ρενέ Ντεκάρτ. Ο Ντεκάρτ μπορεί να εφηύρε το παιχνίδι στις αρχές του 17ου αιώνα, αν και ο Raffaello Magiotti παίρνει τα εύσημα για την πρώτη γραπτή περιγραφή των αρχών του στο βιβλίο του του 1648 Renitenza certissima dell'acqua alla compressione  (Πολύ σταθερή αντοχή του νερού στη συμπίεση). Ο Ντεκάρτ ήταν ένας παραγωγικός μαθηματικός, φιλόσοφος και επιστήμονας και το έργο του έθεσε τα θεμέλια για την ανάπτυξη της επιστημονικής μεθόδου. Το πείραμα είναι ένας κατάλληλος φόρος τιμής στην κληρονομιά του, καθώς δείχνει την αλληλεπίδραση μεταξύ παρατήρησης, υπόθεσης και πειραματισμού που βρίσκεται στο επίκεντρο της επιστημονικής διαδικασίας.

Υλικά

Για να εκτελέσετε το καρτεσιανό πείραμα με δύτες, χρειάζεστε τα ακόλουθα υλικά:

• Ένα διαφανές πλαστικό μπουκάλι 2 λίτρων με καπάκι (ένα μικρότερο μπουκάλι λειτουργεί, αλλά είναι πιο δύσκολο να βρεις έναν αρκετά μικρό δύτη)
• Ένας "δύτης" που μόλις και μετά βίας επιπλέει στο νερό (π.χ. πακέτο κέτσαπ ή σάλτσα σόγιας, μικρό σταγονόμετρο ή πλαστικό καπάκι στυλό ζυγισμένο με μια σταγόνα πηλού)
• Νερό
• Προαιρετικά:χρωστικές τροφίμων για να κάνουν το νερό πιο ορατό

Το κλειδί για να επιλέξετε έναν καλό «δύτη» είναι να βρείτε ένα αντικείμενο που χωράει μέσα από το άνοιγμα του μπουκαλιού και μόλις που επιπλέει στο νερό επειδή περιέχει μια φυσαλίδα αέρα. Τα πακέτα σάλτσας σε πακέτο κάνουν εξαιρετικούς δύτες. Οι καραμέλες σε μέγεθος μπουκιάς (στο περιτύλιγμά τους) λειτουργούν επίσης, όπως και πολλά μικρά πλαστικά αντικείμενα. Οι κούφιες γυάλινες ή πλαστικές μπάλες ή φυσαλίδες είναι φανταχτερές επιλογές.

Πώς να εκτελέσετε το καρτεσιανό πείραμα δύτη

Η εκτέλεση του καρτεσιανού πειράματος δύτης είναι εύκολη:

1. Γεμίστε το μπουκάλι των 2 λίτρων σχεδόν μέχρι το χείλος με νερό.
2. Προσθέστε το αντικείμενο που χρησιμοποιείτε ως δύτη.
3. Προαιρετικά:Προσθέστε μερικές σταγόνες χρωστικής τροφίμων στο νερό στο μπουκάλι για ευκολότερη παρατήρηση.
4. Γεμίστε το μπουκάλι με νερό, ώστε να είναι εντελώς γεμάτο και, στη συνέχεια, κλείστε το.
5. Σφίξτε απαλά τις πλευρές του μπουκαλιού και παρατηρήστε τον καρτεσιανό δύτη.

Τι να περιμένετε

Όταν πιέζετε το μπουκάλι, ο Καρτεσιανός δύτης βυθίζεται. Όταν απελευθερώνετε την πίεση, ο δύτης σηκώνεται. Αυτό οφείλεται στις αλλαγές στην πίεση και την άνωση που συμβαίνουν μέσα στο σύστημα ως αποτέλεσμα της ασκούμενης δύναμης.

The Science:How the Cartesian Diver Works

Το καρτεσιανό πείραμα με δύτες επιδεικνύει δύο βασικές επιστημονικές αρχές:τον νόμο του Boyle και την άνωση.

Ο νόμος του Boyle είναι μια ειδική περίπτωση του νόμου του ιδανικού αερίου που δηλώνει ότι η πίεση ενός αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον όγκο του, υπό την προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Όταν πιέζετε το μπουκάλι, αυξάνετε την πίεση στο νερό και στον αέρα μέσα στον καρτεσιανό δύτη. Αυτή η αυξημένη πίεση συμπιέζει τον αέρα, μειώνοντας τον όγκο του. Επειδή το νερό είναι υγρό, δεν υφίσταται αξιόλογη συμπίεση και ο όγκος του παραμένει αμετάβλητος.

Η άνωση, από την άλλη πλευρά, είναι η ανοδική δύναμη που ασκείται από ένα ρευστό που αντιτίθεται στο βάρος ενός βυθισμένου αντικειμένου. Ένα αντικείμενο θα επιπλέει εάν η άνωσή του είναι μεγαλύτερη από το βάρος του και θα βυθιστεί εάν η άνωσή του είναι μικρότερη από το βάρος του. Καθώς ο όγκος του αέρα μέσα στον καρτεσιανό δύτη μειώνεται λόγω αυξημένης πίεσης, μειώνεται και η άνωσή του. Ως αποτέλεσμα, ο Καρτεσιανός δύτης γίνεται λιγότερο πλεούμενος και βυθίζεται. Όταν απελευθερώνετε την πίεση, ο αέρας μέσα στον δύτη διαστέλλεται, αυξάνοντας την άνωσή του και ο δύτης ανεβαίνει.

Αρχή του Αρχιμήδη

Το καρτεσιανό πείραμα με δύτες απεικονίζει επίσης την Αρχή του Αρχιμήδη. Η Αρχή του Αρχιμήδη δηλώνει ότι η άνωση που ασκεί σε ένα αντικείμενο βυθισμένο σε ένα ρευστό ισούται με το βάρος του ρευστού που μετατοπίζεται από το αντικείμενο. Αυτή η αρχή σχετίζεται άμεσα με την έννοια της άνωσης, η οποία διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στο καρτεσιανό πείραμα κατάδυσης.

Στην περίπτωση του καρτεσιανού δύτη, η άνωση που ασκεί στον δύτη εξαρτάται από τον όγκο του νερού που μετατοπίζεται από αυτόν. Όταν η αύξηση της πίεσης συμπιέζει τον αέρα μέσα στον δύτη, ο όγκος του δύτη μειώνεται. Κατά συνέπεια, ο δύτης εκτοπίζει λιγότερο νερό, γεγονός που μειώνει την άνωση που ασκείται σε αυτό. Όταν η άνωση είναι μικρότερη από το βάρος του δύτη, βυθίζεται.

Η απελευθέρωση των πιέσεων επιτρέπει στον αέρα του δύτη να διασταλεί, αυξάνοντας τον όγκο του. Ο δύτης εκτοπίζει περισσότερο νερό και υφίσταται μεγαλύτερη άνωση. Όταν η άνωση είναι μεγαλύτερη από το βάρος του δύτη, ανεβαίνει στην επιφάνεια.

Ένας ουδέτερος δύτης άνωσης

Μπορεί να νομίζετε ότι ένας δύτης ουδέτερης άνωσης (ούτε επιπλέει ούτε βυθίζεται) παραμένει στη μέση της φιάλης, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Εάν ο δύτης ξεκινήσει με ουδέτερη άνωση όπου μετατοπίζει ακριβώς το ίδιο βάρος με το νερό, εξακολουθεί να ανεβαίνει και να βυθίζεται ως απόκριση στην αλλαγή πίεσης. Αυτό συμβαίνει επειδή η ουδέτερη άνωση είναι μια ασταθής συνθήκη ισορροπίας. Εάν ο δύτης σηκωθεί το παραμικρό κομμάτι, η πίεση στη φούσκα μειώνεται, επομένως διαστέλλεται και εκτοπίζει περισσότερο νερό, κάνοντας τον δύτη να σηκωθεί ακόμη περισσότερο. Από την άλλη πλευρά, εάν ο δύτης πέσει λίγο, η πίεση αυξάνεται, η φυσαλίδα συστέλλεται, εισέρχεται περισσότερο νερό, η άνωση μειώνεται και ο δύτης πέφτει ακόμη περισσότερο.

Αναφορές

• Lima, F M S. (2012). «Χρησιμοποιώντας επιφανειακά ολοκληρώματα για τον έλεγχο του νόμου της άνωσης του Αρχιμήδη». European Journal of Physics . 33 (1):101–113. doi:10.1088/0143-0807/33/1/009
• Mohindroo, K. K. (1997). Βασικές Αρχές της Φυσικής . Εκδόσεις Pitambar. ISBN 978-81-209-0199-5.
• Webster, Charles (1965). «Η ανακάλυψη του νόμου του Boyle και η έννοια της ελαστικότητας του αέρα τον δέκατο έβδομο αιώνα». Αρχείο για την Ιστορία των Ακριβών Επιστημών . 2(6) :441–502.