Fyziklání 2024 - výsledky
Jako každý rok se i letos dne 16. 2. 2024 v Praze na letňanském výstavišti PVA EXPO Praha konala mezinárodní týmová fyzikální soutěž s názvem Fyziklání. Organizátorem již 18.
Aby bylo člověku příjemně, je třeba v suchých panelákových bytech zvýšit vlhkost vzduchu. Fyzikální problém, jak získat dostatečné množství vodní páry, se řeší několika způsoby. Zvlhčovače vzduchu vytvářejí obvykle páru varem vody a následnou kondenzací v jemnou mlhu. Tento přístup je nepochybně velice energeticky náročný, protože voda má skupenské teplo varu značně vysoké: l = 2,2555·106 Jkg-1. Poměrně málo se ví o tom, že jemnou mlhu vodních kapek lze vytvořit také použitím ultrazvuku za mnohem menší spotřeby energie. Jak tedy na to?
Ultrazvuková vlna procházející kapalinou rozkmitá její hladinu. Při dostatečně rychlých kmitech s dostatečně velkou amplitudou se pak na hladině kapaliny odtrhávají malé kapky. Jsou tak vytvořeny přímo, bez fázového přechodu látky a díky tomu za mnohem menší spotřeby energie. Vzniká jemná „mlha“ kapaliny o teplotě okolního prostředí (obr. 1). Drobné kapičky se pak dále vypařují a vytvářejí plynné skupenství látky - páru. Kapičky odnímají teplo z okolí tím, že se dále vypařují. Díky svému velkému povrchu se vypařují mnohem rychleji než voda z volného povrchu kapaliny v nádobě.
,
kde je hmotnost polokoule o poloměru vyplněné kapalinou o hustotě a je povrchové napětí kapaliny. Vzniklá kapka má pak poloměr
.
Nedosáhne-li tíhová síla velikosti síly povrchového napětí, meniskus kapaliny se jen zakřiví, ale kapka z trubice neodkápne. Poloměr menisku kapaliny odpovídá rovnováze mezi tíhovou silou a silou povrchového napětí.
kde je amplituda výchylky povrchu kapaliny a je rezonanční frekvence měniče. Při pohybu hladiny kapaliny ve směru tíhového zrychlení a při malém zvlnění hladiny kapaliny se pak může vytvořit zárodek budoucí kapky; uvažujme ho pro jednoduchost ve tvaru polokoule (obr.4). Na tento zárodek působí tíhová síla , síla povrchového napětí , která se snaží vyrovnat prohnutou hladinu kapaliny, a dále pak v souřadném systému pevně spojeném s pohybující se hladinou kapaliny také setrvačná síla - orientace sil viz Obr. 4. Kapka se od povrchu kapaliny odtrhne, pokud bude platit nerovnost
.
Protože zrychlení povrchu kapaliny způsobené ultrazvukem je mnohem větší než tíhové zrychlení, lze tíhovou sílu zanedbat proti síle setrvačné . Potom tedy dojde k odtržení kapek od povrchu za podmínky
,
což vede na nerovnost pro poloměr vzniklých kapek
.
Odhadneme-li dále velikost amplitudy výchylky kmitů hladiny poloměrem kapky , lze psát
.
Ačkoliv je náš odhad velikosti kapek velice jednoduchý a hrubý (například amplituda výchylky hladiny závisí obecně na výkonu měniče, jeho hloubce pod hladinou kapaliny a na útlumu ultrazvuku v kapalině), již se velmi blíží empirickému vztahu [4]
.
Velikost kapek pro vodu (? = 1000 kg m-3, ? = 72,75·10-3 N m-1, viz [3]) vypočtená podle tohoto vztahu je při použití měniče s rezonanční frekvencí 100 kHz rovna r = 7 µm, pro frekvenci měniče 1 MHz pak již jen r = 1,5 µm.
[1] firemní Webové stránky http://www.bionaire.cz
[2] firemní Webové stránky http://www.americanpiezo.com
[3] J. Brož, V. Roskovec, M. Valouch: Fyzikální a matematické tabulky, SNTL Praha 1980, str. 42, 72
[4] J. W. Waanders: Piezoelectric ceramics, Properties and Applications, Philips Components, 1991, str. 52-53
[5] Webové stránky internetových obchodů
http://www.elektrocoleti.cz/DetailPage.asp?DPG=35428
http://www.vax-cr.cz/ultra.html
http://www.prirodni-leciva.online-prodej.cz/silentfly-ultrazvukovy-zvlhcovac.htm
Jako každý rok se i letos dne 16. 2. 2024 v Praze na letňanském výstavišti PVA EXPO Praha konala mezinárodní týmová fyzikální soutěž s názvem Fyziklání. Organizátorem již 18.
Vědci v Číně sestrojili jadernou baterii, která dokáže vyrábět energii až 50 let bez dobíjení. BV100 od společnosti Betavolt je menší než mince a obsahuje radioaktivní izotop niklu, který ...
Dosavadní průtočné chlazení elektrárny Hodonín vodou z řeky mělo hlavně v létě omezenou kapacitu. Po několikaměsíčním testu přešel do ročního zkušebního provozu nový chladicí systém.
Na střední školy míří početně nejsilnější generace za poslední léta. V loňském roce se tisíce žáků nedostaly ani na „učňák“.
Výzkumný tým katalánské univerzity navrhuje komunikační systém umožňující záchranným službám pracovat bezpečně v obtížných situacích.
Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.