Dva pokusy s kapilaritou

Voda je nejdůležitější a nejrozšířenější kapalinou na Zemi, bez ní by neexistoval život. Ve vodě se vyvinuly první živé organismy a na souši se život rozšířil teprve mnohem později. Molekuly vody se skládají z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku, ale vodíkové vazby mezi sousedními molekulami jsou příčinou řady charakteristických vlastností vody.

Voda má například:

• dobrou tepelnou vodivost (provlhlý nebo mokrý oděv „nehřeje“) a velkou měrnou tepelnou kapacitu (pomalu se zahřívá a pomalu se ochlazuje),
• maximální hustotu až při 4°C (voda v jezerech proto nepromrzá až do dna),
• voda je dobrým rozpouštědlem mnoha organických i anorganických látek (souvisí s tzv. polárním charakterem molekul),
• led má menší hustotu než voda (ledové kry plovou na hladině vody), při tuhnutí voda zvětšuje svůj objem (nebezpečí prasknutí vodovodního potrubí v zimě),

Molekuly kapalin jsou poměrně blízko u sebe a působí na sebe značnými přitažlivými silami. Molekuly na hladině jsou těmito silami vtahovány dovnitř kapaliny. Hladina kapaliny se chová, jako by byla pokryta tenkou pružnou blánou. Příčinou tohoto jevu je povrchové napětí, které se projevuje při styku kapaliny s jiným prostředím, např. se vzduchem nebo stěnou nádoby. Voda má v porovnání s jinými kapalinami velké povrchové napětí a proto jsou jeho projevy velmi výrazné:

• vodoměrka se může pohybovat po pružné povrchové „bláně“, na hladině vody mohou ležet i drobné kovové předměty (kancelářská sponka, jehla, žiletka),
• povrchová „blána“ brání pronikání vodních kapek do tkanin, při mrholení se drobné kapky deště zachycují na povrchu vláken pleteného svetru,
• kapka vody se snaží zaujmout co nejmenší povrch, a proto z vodovodního kohoutku odkapávají kulové kapky, kulový tvar mají také mýdlové bubliny,
• u stěny skleněné nádoby se vodní hladina zvedá vzhůru, říkáme, že voda smáčí stěny nádoby; u stěny natřené tukem klesá vodní hladina dolů, říkáme, že voda nesmáčí mastný povrch,
• v tenkých trubicích (kapilárách) stoupá voda vzhůru; tento jev se nazývá kapilarita – čím užší je kapilára, tím víc v ní kapalina vystoupí. Například v trubici s vnitřním průměrem 1 mm vystoupí voda do výšky 29 mm, ale v kapiláře o průměru 0,1 mm je to už 292 mm!

1. Kapilární násoska

Klasická násoska je trubice nebo hadička, kterou je možné působením atmosférického tlaku přelévat kapalinu z vyšší nádoby do nižší. V našem pokusu se místo atmosférického tlaku uplatní kapilarita. Na podstavec postavte nádobku s vodou, obarvenou potravinářským barvivem. Vedle podstavce postavte druhou nádobku. Papírový ubrousek složte několikrát po délce tak, aby z něho vznikl úzký pásek. Jeden konec pásku ponořte do vyvýšené nádobky a druhý nechejte viset přes okraj do spodní nádobky. Už za několik minut celý pásek nasákne vodou, která začne pomalu skapávat do prázdné nádobky. Celý děj pomalu probíhá tak dlouho, až všechna po několika hodinách voda překape z jedné nádobky do druhé.

Vysvětlení funkce

Mezi vlákny suchého papírového ubrousku jsou tenké mezery – kapiláry. Vlivem povrchového napětí vzlíná voda, která vystoupí až k hornímu okraji a odtud podél suchých vláken klesá do dolní misky. Jakmile se dostane na dolní konec, nemůže vzlínat zpět, protože kapiláry mezi vlákny už jsou zaplněny vodou. Proto začne voda vlastní tíhou odkapávat dolů a za sebou „táhne“ vodu obsaženou v ubrousku (obr. 1, obr. 2).

2. Kapilární skládání barev

K tomuto pokusu budeme potřebovat dva proužky z papírového ubrousku (viz předchozí pokus) a tři sklenice. Do obou krajních nalejeme do stejné výšky různě zbarvenou vodu, ponoříme do nich papírové proužky a trpělivě vyčkáme, až proužky nasají vodu a začnou ji z krajních sklenic přemísťovat do prostřední. Jestliže zvolíme vhodné barvy, získáme výslednou barvu, odpovídající tzv. subtraktivnímu míchání barev – např. modrozelená (azurová) a žlutá dává barvu zelenou (obr 3, obr. 4, obr. 5).