Issuu

Odpověď na tyto a další otázky nám v této knize srozumitelným způsobem předkládají odborníci na oblast vody a proudění. Prostřednictvím mnoha podrobně popsaných pokusů, které můžeme s jednoduchými pomůckami sami provádět, se učíme pochopit zákonitosti, které se za nimi skrývají. Další obrázky, fotografie a komentáře názorně přibližují a vysvětlují nejrůznější jevy spjaté s vodou. Tato kniha se může stát dobrým pomocníkem nejen pro pedagogy a rodiče, ale pro všechny, kteří v sobě chtějí oživit schopnost žasnout a chuť dále objevovat fascinující svět vody.

VODA V POHYBU — ÚŽAS V NÁS

Tekoucí voda a nejrůznější jevy, které se odehrávají na hladině i pod ní, jsou jen zdánlivě všední a všeobecně známé. Každý den je můžeme pozorovat, aniž bychom na nich shledávali něco mimořádného. Co se ale děje s prouděním, když je koryto v nějakém místě užší než jinde? Proč se v řece u mostního pilíře tvoří víry? A jak vlastně různé víry vypadají a vznikají? Co jsou to meandry, jak se tvoří a proměňují? Proč se na písečném dně u pobřeží tvoří zvláštní obrazce a jak jejich podobu ovlivňuje způsob proudění vody? Jak se pohybuje voda ve vlnách a proč můžeme na zvlněné hladině spatřit předmět, který vlny nikam neunášejí? Co se děje s vodní kapkou, když dopadne na hladinu a na suchou plochu?

Andreas Wilkens / Herbert Dreiseitl / Jennifer Greene Michael Jacobi / Christian Liess / Wolfram Schwenk

Voda

v pohybu – úžas v nás Pozorovani a pokusy

www.knihykazda.cz

K A ZDA

OBSAH

Předmluva I

Úvod 1 Kapaliny se chovají jinak než pevné látky

10 18

Organizující proudění – utvářející procesy uvnitř vody 2 Tělesa obtékaná vodou a vírové stezky – choreografie proudění 3 Jednotlivé komponenty proudění u obtékaných těles a vírových stezek a jejich vztahy 4 Víry – mistři piruet 5 Prstencový vír – král mezi víry 6 Rozšiřující se a zužující proudění – zaoblování a natahování

24 26 34

III

Utvářející proudění na vnějších hranicích 7 Meandry – smyčky vytvářené řekami a potoky 8 Čeřiny v písku – duny pod vodou 9 Útvary tvořené protékající vodou – hmota a tvar: každý vlastní cestou

76 78 88 94

Vodní hladina – zevní strana vody 10 Vlny – emancipace v rytmech 11 Vodní kapky

102 104 120

Kapky vyvolávají reakci vodní hladiny 12 Náraz kapky – někdy pohyb, někdy tvar 13 Kapkové obrazy – útvary vytvořené prouděním, které vypovídají o kvalitě vody

130 132 140

Voda nás učí Workshopy a sociální experimenty na téma voda 14 Workshopy na téma jevy spojené s vodou (Jennifer Greene) 15 Společné experimentování – slibná účast občanů na vývoji podoby vlastního města (Herbert Dreiseitl) 16 Co jsme se naučili? Shrnutí

144 146 156

Příloha 17 Přehled pokusů 18 Doplňující informace a návody k pokusům 19 Bezpečnost práce; kde sehnat potřebné pomůcky

162 164 166 196

VII

Seznam literatury a pramenů Autoři obrázků a fotografií Rejstřík

Wilkens_Voda_1_208.indd 5

42 60 70

160

198 201 202

28.02.17 18:59

Wilkens_Voda_1_208.indd 7

28.02.17 18:59

ÚVOD

Vždyť se vlastně nadarmo snažíme vyjádřit podstatu nějaké věci. Jsme si vědomi účinků a úplná minulost těchto účinků by snad, eventuálně obsáhla podstatu oné věci. Marně se snažíme vylíčit povahu nějakého člověka; všímáme si však jeho jednání, jeho činů a obraz jeho charakteru před námi vyvstane. Johann Wolfgang von Goethe, z předmluvy k „Nauce o barvách“, 1810 V běžném životě se s vodou setkáváme nejrůznějším způsobem: když ji pijeme a cítíme, jak nás občerstvuje a tiší žízeň, když se myjeme a cítíme se poté opět svěží a čistí, když se koupeme a pod vodou ztrácíme svou tíži, za deště, kdy nás voda promáčí a ochladí, nebo když stojíme na břehu řeky či moře a voda nás okouzluje stále se proměňující hrou vln nebo vířivým prouděním (obr. I.2) a tím nás inspiruje, uvolňuje a často také naplňuje novým životem. Tehdy prožíváme vodu v její živelnosti. Vodu a její vliv nacházíme všude v přírodě – na nebi, v mlze a mracích, ve vzdušné vlhkosti. Také v krajině – eroze kopců, obroušení skal (obr. I.1), plochá údolí a říční meandry, to vše je rovněž dílem vody. Voda se podílí na formování životního prostoru naší planety, na jeho vznikání, trvání i zanikání. Bez vody by zde nebyl svět živých bytostí. Je základem veškerého života. Dokonce i pevné, neživé látky vděčí za své složení a elasticitu vodě, bez obsahu vody by se rozdrolily a rozpadly v prach. Sotva bychom nalezli na Zemi něco, co nevděčí za svou existenci či podobu vodě. Téměř si to ale neuvědomujeme, protože voda sama se přitom jen vzácně viditelně projevuje. Pohlédneme-li na oblohu, na oblaka, která ji prosvětlují, zabarvují nebo zatemňují, máme vlastně vždy před očima jevy vyvolané vodou a žasneme nad světem světla a barev. Zcela jiný pocit máme, když stojíme u horského potoka, který se s hukotem a stříkáním řítí do údolí. Zde můžeme vytušit, jakou má voda sílu a moc. A tak se při nejrůznějších projevech vody setkáváme vždy se zcela rozdílnými jevy, útvary a pohyby – kapky ve vzduchu, vlny na vodní hladině a víry či peřeje ve vodě. Každý tento jev má také rozdílný vliv na naše vnímání, cítění a myšlení a musíme své schopnosti použít zcela rozdílným, specifickým způsobem. Například hru vln můžeme pozorovat snadno, ale skryté dění uvnitř vodní masy musíme teprve postupně objevovat.

Wilkens_Voda_1_208.indd 12

28.02.17 18:59

Ú VO D 13

OBR. I.2

Víry a vlny na hladině vody v proudu za mostním pilířem.

Wilkens_Voda_1_208.indd 13

28.02.17 18:59

1 K APALINY SE CHOVAJÍ JINAK NEŽ PEVNÉ L ÁTK Y

Voda reaguje na každé i nepatrné působení síly pohybem. Můžeme to vyjádřit takto: voda je pohyb, který se stal hmotou. Ernst August Müller, fyzik proudění (Müller 2000) Čtyři jednoduchá cvičení nám umožní si uvědomit důležité zkušenosti s vodou, kterým v každodenním životě nevěnujeme pozornost a které nás přivádějí k povaze vody jako kapaliny. Poskytují nám základní náhled. Stojí za to odhalit jedinečnost v samozřejmých věcech a podívat se na ně novýma očima, abychom jim dokázali porozumět.

Voda se dělí i spojuje Jak bychom si mohli dát doušek vody z nádoby, kdyby se voda jakoby sama od sebe nenechala dělit? Jak by mohlo vzniknout moře, kdyby se dešťové kapky nechtěly opět spojit do jednoho celku? Bez ohledu na to, na kolik částí se voda dělí, každý její díl tvoří opět celek. A lhostejno kolik dílů vody se spojí, opět budou tvořit jednotný celek.

P O K U S 1.1

Co se děje, když ponoříme těleso do vody: voda uhýbá, ustupuje, přizpůsobuje se Ponořování Před námi stojí sklenice naplněná asi do tří čtvrtin vodou. Zevně na sklo tužkou označíme výšku hladiny vody. Dotkneme se hladiny prstem, potom ho nepatrně ponoříme do vody. Hladina je měkká a poddajná. Ponoříme prst ještě o něco hlouběji. Voda povoluje, ale nejen to, obklopuje prst dokonce ze všech stran a úplně se k němu přitiskne. Hladina vody kolem dokola však zůstává rovná! Jen čím více prst ponoříme, tím více hladina stoupne. Jak by asi reagovala pevná tělesa, například ztuhlý vosk nebo malé kamínky v nádobě? Vidíme, jak voda sice na jednom místě uhýbá a přizpůsobuje se, kapalina jako celek však obnovuje rovnováhu tím, že vodní hladina všude rovnoměrně stoupne. Na rozhraní mezi vodou a sklem je voda u skla mírně vyklenutá vzhůru, na rozhraní s dosud suchým ponořujícím se prstem se mírně vyklene dolů. Vytáhneme nyní prst opět z vody: je potažen jemnou vrstvičkou vody – je mokrý. Cítíme, že jak kůže usychá, prst to chladí.

Wilkens_Voda_1_208.indd 18

28.02.17 18:59

K A PA L I N Y S E C H OVA J Í J I N A K N E Ž P E V N É L ÁT K Y 19

K O M E N T Á Ř : Voda smáčí většinu materiálů (nesmáčivé jsou tuky, vosky a mnoho umělých hmot). K odpařování potřebuje teplo, které odebírá z okolí a tím ho ochlazuje. Tento jev nazýváme „ochlazování následkem odpařování“. Má velký význam pro místní klima. Technicky se toto ochlazování následkem odpařování určitých kapalin využívá u chladniček a klimatizačních zařízení.

Přenášení vody Jsme malá skupina. Před námi na stole se nachází: velká plochá nádoba, pokud možno s rovným dnem (například hluboký plech na pečení), naplněná do výše několika centimetrů vodou; mísa a džbán, naplněné stejným množstvím vody jako plochá nádoba; velký kámen nebo jiný pevný předmět, přibližně stejně těžký jako džbán s vodou.

O B R . 1.1

Přenášení vody v ploché nádobě.

Wilkens_Voda_1_208.indd 19

P O K U S 1. 2

Přenášení vody – voda citlivě reaguje

Bez nějakých zvláštních úvah poponeseme kámen, džbán, mísu a plochou nádobu o několik metrů dál k jinému stolu. Postavíme tyto předměty na stůl, aniž bychom vodu z nádob vylili. Jak to provedeme? Jak uchopíme daný předmět do rukou, jak ho postavíme? Jakým způsobem ho držíme? Jak s ním kráčíme? Na co si dáváme pozor? – Střídáme se ve skupině a navzájem se pozorujeme. Vnímáme tíhu kamene, nemusíme mu ale věnovat zvláštní pozornost, ani dívat se na něj nemusíme, když ho chceme odnést. Není důležité, z jaké strany ho uchopíme, kde je nahoře a kde dole, ani jakým způsobem jdeme. Zcela jinak je tomu s plochou nádobou naplněnou vodou. Musíme dbát na to, abychom ji uchopili co nejlépe. Když se nám nepodaří ji zdvihnout ve vodorovné poloze, voda se dá okamžitě do pohybu a hrne se k jedné straně. Stane-li se to, musíme ihned provést několik protipohybů, abychom hladinu vyrovnali. První z nich je často příliš prudký (obr. 1.1). V té chvíli musíme vynaložit veškerou pozornost. Musíme se vcítit do toho, jak se voda pohybuje. Postupně se nám stále lépe daří vžít se do chování vody, přiměřeně reagovat a hladinu zklidnit. Po této zkušenosti uděláme pomalu a klidně první krok. Snažíme se pohybovat co nejrovnoměrněji, nedělat v žádném směru náhlé zrychlující nebo zpomalující pohyby. Každé rozptýlení, každý okamžik nepozornosti má své následky. Jakmile se voda v nádobě rozkymácí, je umění ji opět zklidnit. Žádný krok nemůže být stejný, každý okamžik je zcela nový. To je nejlépe patrné, když musíme změnit držení těla, abychom nádobu položili. Celý tento proces je zaměřený na to, abychom si uvědomili, jaké pohyby voda umožňuje. Musíme si uvědomovat vodní hladinu, nádobu, naše pohyby, jejich dynamiku a také okolí, protože se případným překážkám nemůžeme spontánně vyhýbat.

28.02.17 18:59

VO DA V P O H Y B U – Ú Ž A S V N Á S

K O M E N T Á Ř : Voda je nesmírně pohyblivá a reaguje na nejjemnější podněty. Srovnání ploché nádoby, misky a džbánu nám ukazuje, že čím menší je při stejném objemu vody plocha vodní hladiny, tím méně pozornosti musíme nádobě s vodou při přenášení věnovat, stačí se jí věnovat takřka stejně, jako kdybychom manipulovali a pohybovali pevným předmětem. Pevnými předměty manipulujeme velmi svobodně, protože není zapotřebí věnovat zvláštní pozornost jejich poloze, orientaci, pohybu ani zrychlení v prostoru. Prázdnou otevřenou nádobu můžeme umístit do libovolných poloh, otáčet, obracet, aniž by se „změnila“ nebo aniž bychom způsobili nějakou škodu. S kapalinami můžeme podobně zacházet jedině, když jsou ve zcela uzavřených nádobách, třeba v lahvích. Tím z nich ale ještě neuděláme předměty, které se chovají jako pevná tělesa, jak bude patrné při experimentu 1.5. Když však chceme kapaliny transportovat v otevřených nádobách, aniž bychom je vylili, musíme věnovat pozornost poloze a orientaci, a to v případě plného džbánu víc než u otevřené lahve a ještě více, když jde o plochou nádobu. Proto číšníci obvykle nepodávají polévku v talířích, ale v šálcích.

P O K U S 1. 3

U pevných těles hraje poměr povrchu a objemu spíše vedlejší úlohu, chování kapalin ale ovlivňuje rozhodujícím způsobem: Čím větší je při daném objemu vody její hladina, tím citlivěji voda reaguje; tím více tedy určují její chování síly působící zvenčí! Pohled do vody (varianta pokusu 1.2) Chceme-li při nošení vody v misce pozorovat pohyby uvnitř vodní masy, kápneme předem do vody jednu kapku inkoustu. Na inkoustu můžeme sledovat, jak se voda, když se otáčíme, neotáčí stejnou měrou s námi. Inkoust na hladině zůstává pozadu, jen u dna se tekutina otáčí spolu s nádobou. Horní a dolní část vodní masy pojí dlouhý táhnoucí se inkoustový závoj (obr. 1.2). Rozdílné chování kapaliny na dně a v ostatních jejích částech výrazně ovlivňuje proudění a budeme se jím zabývat, až budeme v kapitole 3 hovořit o mezních vrstvách. O B R . 1. 2

Talíř s vodou a kapkou inkoustu po jedné otočce talíře.

Wilkens_Voda_1_208.indd 20

28.02.17 18:59

K A PA L I N Y S E C H OVA J Í J I N A K N E Ž P E V N É L ÁT K Y 21

Jak voda teče zúženými místy Uděláme si malý výlet a jako pomůcky si s sebou vezmeme nejméně 10 metrů dlouhý provaz, na němž každého půl metru uvážeme barevný uzlík, dále hodinky s vteřinovou ručičkou a holínky. Vydáme se k potoku nebo vodnímu kanálu, který je rovnoměrně široký i hluboký a na určitém místě je jeho tok z obou stran zúžený, například je tam můstek nebo kamenné kvádry. Položíme provaz na břeh podél toku tak, aby ležel několik metrů nad zúženým místem, vedl podél něj a končil několik metrů pod tímto místem. Pokud nejsou na břehu žádné stromy nebo pilíře, na něž bychom mohli lano upevnit, podrží ho dva z nás na obou koncích a napnou ho. Potom vezmeme malé „lodičky“ – lístky, kousky dřeva, krátká stébla trávy či podobné předměty – a pošleme je po proudu. Sledováním pohybu těchto loděk a vteřinové ručičky změříme rychlost toku vody od uzlíku k uzlíku. Navzdory očekávání teče voda k našemu překvapení úzkým místem rychleji než nad ním a dokonce rychleji než pod ním.

P O K U S 1. 4

Nečekané postřehy: tak teče voda

V úzkých místech v otevřených vodních kanálech se snižuje hladina vody, v uzavřených potrubích se snižuje tlak vody.

Pohled do nitra vodního tělesa

Pohyby v prostoru kapaliny Naplníme válcovou zavařovací sklenici až po okraj slabým roztokem (suspenzí) vody a zlaté nebo stříbrné akvarelové barvy a uzavřeme ji tak, aby uvnitř nezůstaly žádné vzduchové bubliny. Droboučká kovová tělíska – flitry – odrážejí velmi dobře světlo; díky tomu můžeme zřetelně vidět, kde se ve vodě nacházejí a jak se při proudění chovají. Ve stojící sklenici leží zpočátku na dně. Dokud pohybujeme sklenicí pouze v horizontálním směru sem a tam, aniž bychom ji nakláněli nebo otáčeli, nic se na tom nemění. Voda uzavřená ve sklenici se za těchto podmínek chová podobně jako pevné těleso. Přidáme-li k tomu otáčení nebo naklápění, začíná voda proudit. Rychlý pohyb zvíří flitry původně usazené na dně sklenice a proudění se stává viditelným.

Wilkens_Voda_1_208.indd 21

P O K U S 1. 5

Z pohybů vody vnímáme za normálních okolností jen ty, které se odehrávají na hladině, například vlny, nebo ty, které se projevují také na hladině, jako jsou třeba trychtýře vírů. Jaké rozmanité pohyby se odehrávají uvnitř vodní masy, nám ale zůstává v důsledku průhlednosti a homogenity vody skryto. Jen díky drobným částicím, které se občas vyskytnou v proudu, můžeme tušit, jaké bohatství pohybů se zde odehrává. Při výzkumu proudění proto používáme ke zviditelnění proudů ve vodě barvu nebo drobné částice, které se mohou s proudem pohybovat.

28.02.17 18:59

VO DA V P O H Y B U – Ú Ž A S V N Á S

Potom sklenici otočíme a postavíme víkem dolů. Flitry začínají klesat, protože jsou těžší než voda. Berou s sebou dolů okolní vodu v pohybech, jež připomínají pohyb oblaků. Voda nacházející se dole uhýbá a proudí nahoru. Ale brzy začíná vše proudit neuspořádaně a chaoticky (obr. 1.3 vlevo). Tyto pohyby se odehrávají v celém prostoru tekutiny, takže ve sklenici není žádné místo, které by zůstávalo v klidu na původním místě.

O B R . 1. 3

Klidné a neklidné pohyby suspenze barvy ve vodě.

K O M E N T Á Ř : Tento jev je typický pro prostor naplněný vodou: jakmile nastane na nějakém místě pohyb, brzy se rozšíří po celém prostoru a dosáhne až do nejvzdálenějších koutů. Toto citlivé dění je umožněno vnitřní soudržností vody. Tímto pokusem chceme zprvu jen ukázat a připomenout, jak se ve vodní mase, která nedokáže navenek udržet žádnou vlastní formu, mohou uvnitř daných hranic vyskytovat rozmanité pohyby, které jsou doprovázeny procesy utváření a diferencování různých proudivých útvarů. Ve vnitřním prostoru zevně beztvaré vody dochází skrze pohyb k utvářejícím procesům!

Wilkens_Voda_1_208.indd 22

28.02.17 18:59

K A PA L I N Y S E C H OVA J Í J I N A K N E Ž P E V N É L ÁT K Y 23

Co jsme se naučili Těchto pět jednoduchých pokusů nám ukázalo něco velmi důležitého: voda se chová a pohybuje jinak než pevná tělesa. Pevné těleso zůstává během pohybu kupředu a zpět beze změny, voda však nikoli! Zatímco jsme vodou manipulovali, něco se v ní odehrálo. Proměnila se. I uvnitř beztvaré vodní masy – voda nemá vlastní vnější tvar, ten určuje tvar naplněné uzavřené sklenice – vznikají při podnětu složité cirkulace, pohyby, které jsou doprovázeny procesy utváření a vznikání útvarů z proudění. Pohyb uvnitř vodní masy je vždy spojen s utvářením a projevuje se jím stejně jako měřitelnou rychlostí. Pohyb umožňuje, aby v kapalině probíhaly utvářející procesy. To podstatným způsobem odlišuje kapalinu od pevné látky. Vodu nemůžeme uchopit, proteče nám skrz prsty. – S vodou nemůžeme učinit nic, aniž by reago vala změnami. Samotný proces zkoumání působí na vodu tak, že ji mění, v každém okamžiku je jiná. Obecně je možno říci, že říše kapalin je cosi zvláštního, neřídí se pouze zákony světa pevných těles, a je proto nutné ji zkoumat jiným způsobem. Abychom jí porozuměli, museli bychom přizpůsobit své myšlení chování kapaliny. Klíčem k tomu je nezaujaté pozorování. Projevy vody si můžeme uvědomit a pochopit teprve ve vztahu s okolními podmínkami. Souvisejí s nimi, stejně tak jako s vlastnostmi vody jako hmoty. Zjevným příkladem je nám tak známá vodní hladina každého jezera a v každém šálku: povrch vody je jako celek orientován vůči Zemi, znázorňuje rovnou plochu tělesa Země. – Voda je nutně zaměřená na okolí a ve svých projevech je jím ovlivněna, pro pevná tělesa to však neplatí. Proto musíme kapalinám věnovat více pozornosti a jinou pozornost než pevným látkám. Při manipulaci s vodou musíme vždy dbát na její polohu a orientaci, a to tím více, čím větší je plocha ve vztahu k objemu. Změny polohy s sebou nesou následky, dokonce i v uzavřených nádobách, jak ukázal pokus 1.5. Vodní masa se chová systémově, reaguje na podnět jako celek – nikoli v izolovaných, na sobě nezávislých segmentech. Procesy v ní se vzájemně a zpětně podmiňují, jsou ve vzájemné interakci. Svou vnější podobou se voda nachází někde uprostřed mezi pevnými a plynnými látkami. Vůči vzduchu se vymezuje svým povrchem jako kapka nebo vodní hladina a chová se do určité míry téměř jako pevné těleso, které má vlastní povrch a jemu charakteristický tvar, jimž je ohraničeno vůči svému okolí. Zároveň se chová jako plyn v tom smyslu, že se svým tvarem plně přizpůsobuje nádobě nebo reliéfu krajiny a vyplňuje pod svou hladinou každý jí nabídnutý prostor. Pevné a plynné skupenství se v tomto ohledu chová jako dvě polarity: vytváření svých hranic a zachovávání své individuální podoby u pevných těles na jedné straně a naproti tomu beztvarost a naprosté přizpůsobení tvarům pevných a kapalných těles u látek plynných. Kapalina svým tvarem a volnou hladinou na jedné straně a svou přizpůsobivostí na straně druhé zaujímá střed mezi těmito polaritami.

Wilkens_Voda_1_208.indd 23

28.02.17 18:59

XXX

O B R . 2 .1

Kármánova vírová stezka ve viskózní kapalině (viz pokus 2.1).

Wilkens_Voda_1_208.indd 24

28.02.17 18:59

VODA V POHYBU — ÚŽAS V NÁS

Andreas Wilkens / Herbert Dreiseitl / Jennifer Greene Michael Jacobi / Christian Liess / Wolfram Schwenk

Voda

v pohybu – úžas v nás Pozorovani a pokusy

www.knihykazda.cz

K A ZDA