Článek
Stojíte v kuchyni a chystáte večeři. Chcete přidat nakládané okurky, ale narazíte na problém. Sklenice vzdoruje. Pevně ji uchopíte, zatnete svaly a zkusíte víčkem otočit. Nic. Zkusíte to přes utěrku, abyste měli lepší grip. Znovu nic. Ruce vás bolí, prsty máte červené a víčko se ani nehnulo.
V takové chvíli se lidé dělí na dvě skupiny. První skupina vezme nůž a začne nebezpečně páčit okraje víčka ve snaze uvolnit podtlak (což často končí zničeným nožem nebo zraněním). Druhá skupina zná jednoduchý fyzikální trik: otočí sklenici dnem vzhůru a ponoří víčko na 30 až 60 sekund do horké vody.
Když sklenici vytáhnou a zkusí víčkem otočit, ozve se tiché lupnutí a uzávěr povolí tak snadno, jako by ho předtím někdo povolil za ně.
Není to magie a nepomohlo ani to, že by voda „rozpustila ztvrdlý cukr“ (jak se často mylně traduje). To, čeho jste se právě stali svědky, je nádherná demonstrace jednoho ze základních fyzikálních zákonů naší planety v přímém přenosu: teplotní roztažnosti.
Roztančené atomy potřebují prostor
Nejprve musíme nahlédnout do mikrosvěta. Když se podíváte na kovové víčko nebo skleněnou lahev za běžné pokojové teploty, zdají se být naprosto nehybné a pevné. Pravda je ale taková, že uvnitř těchto materiálů je docela živo. Atomy, ze kterých je materiál složen, neustále kmitají na svém místě.
Když materiál zahřejete (například tím, že na něj nalijete horkou vodu), dodáváte těmto atomům ohromné množství takzvané kinetické (pohybové) energie.
Představte si rockový koncert. Když hraje pomalá písnička (nízká teplota), lidé stojí těsně vedle sebe, jen se lehce pohupují a nezaberou moc místa. Jakmile ale kapela spustí rychlou a divokou skladbu (vysoká teplota), lidé začnou skákat, máchat rukama a narážet do sebe. Každý člověk najednou potřebuje mnohem více životního prostoru, a celý dav se tak nutně musí roztáhnout do šířky.
Přesně to dělají atomy. Čím vyšší je teplota, tím silněji kmitají, tím více do sebe „narážejí“ a tím více se od sebe vzdalují. Celý materiál se v důsledku toho fyzicky zvětší. Tento jev nazýváme teplotní objemová a délková roztažnost.
Ocel versus sklo: Souboj koeficientů
Možná vás teď napadá logická otázka: „Když hodím sklenici i s víčkem do horké vody, zahřejí se přece oba materiály. Pokud se roztáhne kov i sklo, nemělo by víčko zůstat na skle stále stejně zaseknuté?“
Tady do hry vstupuje ona fyzikální pointa. Ne všechny materiály se při stejné teplotě roztahují stejně. Vědci k popisu tohoto jevu používají veličinu zvanou součinitel teplotní délkové roztažnosti. Je to číslo, které říká, o kolik se materiál zvětší, když ho zahřejete o jeden stupeň.
Sklo je z hlediska molekulární struktury velmi tuhý a „lenivý“ materiál (amorfní struktura). Jeho kmitající atomy se od sebe vzdalují jen velmi neochotně. Kovy (ze kterých se vyrábí víčka, tedy ocelový nebo hliníkový plech) mají naopak krystalickou mřížku, která reaguje na teplo mnohem dramatičtěji.
- Běžné obalové sklo má součinitel zhruba 9 x 10-6 na každý stupeň.
- Ocel (často používaná na víčka) se pohybuje kolem 12 x 10-6.
- Hliník dokonce reaguje ještě prudčeji, jeho součinitel je asi 23 x 10-6.
V překladu do lidské řeči to znamená jediné: Kov se teplem roztahuje mnohem, mnohem více než sklo.
Co se přesně stane za oněch 30 sekund?
Když ponoříte zavřenou lahev do horké vody, spustíte mikroskopický závod. Voda předá svou tepelnou energii sklu i kovu. Kovové víčko se začne prudce roztahovat do šířky. Vlákna kovu nabývají na objemu, průměr víčka se o mikrometry zvětšuje.
Sklo hrdla se sice pod víčkem snaží zahřívat a roztahovat také, ale za prvé je to špatný vodič tepla (takže se zahřívá pomaleji) a za druhé je jeho schopnost roztáhnout se mnohem menší.
Během 30 až 60 vteřin se kovové víčko roztáhne natolik, že se mikroskopicky oddálí od skleněného závitu hrdla. Tření, které drželo víčko pevně na místě, dramaticky klesne. V tu chvíli sklenici vytáhnete, zaberete a víčko s naprostou lehkostí klouže po skle.
Věda, kterou si můžete osahat
Příště, až budete doma bojovat s neposlušnou zavařeninou, nedohadujte se, kdo má větší svaly. Otevření sklenice není testem fyzické zdatnosti, ale krásným experimentem z oboru termodynamiky.
Je fascinující uvědomit si, že k vyřešení běžného kuchyňského problému využíváme stejné fyzikální zákony, kvůli kterým musí inženýři stavět na dlouhých mostech dilatační spáry (aby most v létě nepraskl, když se ocel roztáhne) nebo kvůli kterým se v létě prověšují dráty elektrického vedení.
Někdy stačí jen přestat tlačit silou a nechat fyziku, aby těžkou práci odvedla za vás.
P.S.
Znali jste tenhle trik s horkou vodou už od svých babiček, nebo jste do dneška spoléhali na hrubou sílu (a zničené nože)? Fascinuje mě, jak jsou ty nejobyčejnější rady našich předků často podloženy tvrdými zákony fyziky. Pokud vás baví články, které spojují každodenní maličkosti s vědou a vysvětlují fungování světa bez zbytečných a složitých vzorečků, budu moc rád za vaši podporu.
