Menő molnárkák

A molnárkák a felületi feszültséget használják ki, hogy a vízen tudjanak járni.

Megfigyelted már, hogy egyes rovarok tudnak a vízen járni? Például a tavak felszínén gyakran találhatunk molnárkákat. Hogyan képesek erre?

A molnárkák a víznek egy különös tulajdonságát használják  ki: a felületi feszültséget. Ez azért keletkezik, mert a vízmolekulák erősen vonzzák egymást, különösen a levegővel érintkező határfelületen. A vonzás ereje vékony réteget hoz létre, amely már elegendő a molnárkáknak ahhoz, hogy ne süllyedjenek el. Egy másik tulajdonságuk is van, amely megakadályozza ezt: a lábukon lévő apró szőrszálak biztosítják, hogy légbuborékok rekedjenek meg rajtuk, ami szintén segíti őket a víz felszínén maradni.

A víz tisztasága befolyásolhatja a molnárkák vízen járó képességét. A szennyezett, olajokat, mosószereket stb. vagy törmeléket tartalmazó víz gyengítheti a vízmolekulák közötti vonzást, így csökkentheti a felületi feszültséget.

Rajzszög, gémkapocs: lebeg, vagy elsüllyed? Felfedezzük, hogyan működik a felületi feszültség!

Foglalkozás leírása:

Egyszerű magyarázat (9-10 éveseknek)

Előfordult már, hogy beugrottál a medence széléről vagy magasabbról a vízbe és hassal érkeztél? Fájdalmas volt, ugye? Ennek az az oka, hogy a víz felső rétege a felületi feszültség miatt valójában erősebb, mint gondolnád! A felületi feszültség olyan erő, amely hatására a folyadékréteg felszíne úgy viselkedik, mint egy megfeszített, rugalmas lap vagy bőr. E felső réteg (felületi feszültség) miatt tud a gombostű vagy gémkapocs a vízen maradni. A szappan megszakítja a felületi feszültséget, és a gombostű vagy gémkapocs túl nehéz ahhoz, hogy ezen erős réteg nélkül a víz felszínén maradjon.

Haladó magyarázat (11-12 éveseknek)

A vízmolekulák szeretik a másik vízmolekulát. A pohárban található összes vízmolekula azonos mértékben, minden irányban vonzza egymást. A felszínen lévő molekulák még jobban vonzódnak egymáshoz, mert nincs vízmolekula felettük. Olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy erős réteget alkotnak, ami olyan, mintha „bőr” lenne. Ez a „bőr” megakadályozza, hogy a gombostű (és más, elég könnyű tárgy) lesüllyedjen. A szappan adagolásakor annak részecskéi a vízrészecskék közé kerülnek, ami miatt a vízrészecskék közötti kapcsolat gyengül, a víz pedig elveszíti rugalmas rétegét, ezért a gombostű lesüllyed.

Még részletesebb magyarázat (pedagógusoknak)

A víz felületi feszültsége azért alakul ki, mert a vízmolekulák (H2O) erősen vonzzák egymást. Ez a vonzás hidrogénkötéseket (H-kötések) hoz létre. A vízrészecskék elektromos töltése nem egyenletesen oszlik el, ami miatt az egyik molekula pozitív töltésű elülső része (H-ok) erősen húzza a másik molekula negatív töltésű hátsó részét (O). A felületi feszültség olyan erős, hogy a rovarokat és a víznél nehezebb, ezért elsüllyedő kisebb tárgyakat is képes a felszínen tartani. Ha szappant adunk a vízhez, a felületi feszültség gyorsan gyengül, mert a vízmolekulák közötti hidrogénkötések közül sok megszakad. A szappanrészecske vége taszítja a vizet (hidrofób), így a részecske a felszínen marad. A szappanrészecskék és a vízmolekulák közötti kötések sokkal gyengébbek, mint a vízmolekulák közötti hidrogénkötések. A szappannal szennyezett vízben a felületi feszültség túl gyenge ahhoz, hogy megtartsa a gémkapcsot vagy a molnárkát, így ezek elsüllyednek.

A kutatók a molnárkák mintájára olyan robotrovart fejlesztettek ki, amely képes a víz felszínén járni és onnan felszállni. A robotváltozat ugyanazokat az erőket használja az ugráshoz, mint a molnárka, és a felszín megtörése nélkül löki el magát. Olyan lefelé irányuló erővel száll fel, amely soha nem haladja meg a víz felületi feszültségét.

Bár a kutatók elsősorban a robotok vízen való mozgásának új lehetőségét keresték, a vízen járni képes robot a környezetvédelemben is hasznos lehet – pl. felhasználható a vízfolyások szennyezésének megfigyelésére. A miniatűr érzékelőkkel, fedélzeti áramforrással és elektronikával felszerelt robotokból álló hálózat alkalmas lehet a jövőben arra, hogy a gátakon, tavakon, tengereken stb. végzett környezetvédelmi megfigyelési alkalmazásokat fejlesszenek ki.

Beszéljük meg a diákokkal, hogy milyen egyéb alkalmazásokat tudnak elképzelni?

Környezetismeret/Természettudomány

·         Az élettelen anyagok érzékelhető tulajdonságai

·         Megfigyelőképesség fejlesztése

·         Állatok testfelépítése

Technika és tervezés (Technológia)

·         Kreativitás fejlesztése

Digitális kultúra (Mérnöki tudományok, mérnöki tudományok)

·         Az online és az offline környezet összehasonlítása

·         Információszerzés az e-világban

Vizuális kultúra (Művészetek)

·         Technológia és hagyomány

Matematika

·         Megfigyelés fejlesztése

·         Rendszerezés

Magyar nyelvű:

A víz felületi feszültsége és a vízi rovarok (tovább a cikkhez).

Érdekességek a poloskákról (tovább a cikkhez).

A molnárpoloskák és a vízen járás (tovább a cikkhez).

Angol nyelvű:

Vajon tudnak-e a robotok ugrálni a vizen? Ebben és ebben a videóban nézhetjük meg.

Ismerjük meg jobban a molnárkát (tovább a videóhoz)!

Cikk a Science c. újságban: „Ugrás a víz felületéről: molnárkák és robot rovarok felületi feszültség általi ugrása.”