Korčuliarka - chôdza po vode

Korčuliarky využívajú povrchové napätie vody na chôdzu po vode.

Všimli ste si, že niektoré druhy hmyzu vedia chodiť po vode? Korčuliarkovité môžete nájsť napríklad na hladine rybníkov. Ako to dokážu?

Niektoré druhy hmyzu sú prispôsobené pohybu po vodnej hladine, zatiaľ čo ostatné druhy sa jednoducho potopia. Korčuliarky používajú šikovný trik: povrchové napätie. Toto napätie vzniká preto, lebo molekuly vody sa navzájom silno priťahujú, najmä na rozhraní so vzduchom. Sila príťažlivosti na povrchu vody vytvára tenkú vrstvu, ktorú môžu vodné chodúle využiť ako povrch. Navyše, chĺpky na „chodidlách“ korčuliarok majú malé drážky, ktoré zadržiavajú vzduchové bubliny, čo im umožňuje pohybovať sa po vodnej hladine bez toho, aby sa "prepadli" cez jej povrch a potopili sa.

Čistota vody môže ovplyvniť účinnosť týchto schopností korčuliarok. Znečistená voda, ktorá obsahuje znečisťujúce látky (oleje, detergenty atď.) alebo nečistoty, môže oslabiť príťažlivosť medzi molekulami vody, čo následne znižuje povrchové napätie.

Pripináčik: bude plávať, alebo sa potopí? Zistite, ako funguje povrchové napätie.

• Všetkým žiakom dajte kovový pripináčik/špendlík (bez plastu) a pohár.
• Pripináčik a pohár očistite len čistou vodou.
• Pripináčik osušte.
• Pripináčik opatrne vložte hrotom nahor do pohára s vodou.

Otázka 1: Čo sa stane?

• Do pohára s vodou pridajte kvapku prostriedku na umývanie riadu.

Otázka 2: Čo sa stane teraz?

Otázka 3: Prečo si myslíte, že sa to stalo?

Alternatívna aktivita: žiaci postavia hliníkovú fóliu okolo pripináčka a nechajú ju plávať, ako si môžete pozrieť vo videu.

Už ste niekedy skákali z výšky do vody a zle dopadli? Bolestivé, však? Je to preto, že vrchná vrstva vody je v dôsledku povrchového napätia v skutočnosti silnejšia, ako si myslíte. Povrchové napätie je sila, ktorá spôsobuje, že vrstva kvapaliny sa správa ako napnutá pružná fólia alebo koža. Pripináčik sa môže udržať na vode vďaka tejto vrchnej vrstve (povrchovému napätiu). Čistiaci prostriedok naruší povrchové napätie a pripináčik je príliš ťažký na to, aby sa udržal na vode bez tejto silnej vrstvy.

Podrobnejšie vysvetlenie

Molekuly vody sa majú navzájom rady. Všetky molekuly v pohári vody sa navzájom priťahujú a tlačia sa k sebe, a to rovnakou silou vo všetkých smeroch. Molekuly na povrchu sa navzájom priťahujú ešte viac, pretože nad sebou nemajú ďalšie molekuly vody. Dostanú sa tak blízko k sebe, že vytvoria silnú vrstvu, známu aj ako "koža". Táto koža zabraňuje potopeniu pripináčika (a iných dostatočne ľahkých predmetov). Pri pridávaní čistiaceho prostriedku sa jeho molekuly dostanú medzi molekuly vody, čím sa spojenie medzi molekulami vody oslabí a voda stratí svoju pevnú vrstvu, preto sa pripináčik potopí.

Povrchové napätie vody vzniká preto, lebo molekuly vody (H₂O) sa navzájom silne priťahujú. Táto príťažlivosť vytvára vodíkové väzby (H-väzby). Elektrický náboj molekúl vody nie je rovnomerne rozložený, čo spôsobuje, že kladne nabitá predná časť (H) jednej molekuly silno ťahá záporne nabitú zadnú časť (O) druhej molekuly. Povrchové napätie je také silné, že dokáže uniesť hmyz a malé predmety, ktoré sú hustejšie ako voda, a preto by sa inak potopili. Keď sa do vody pridá saponát, povrchové napätie sa prudko zníži, pretože sa preruší množstvo vodíkových väzieb medzi molekulami vody. Zadná časť molekuly saponátu je odpudzovaná vodou (je hydrofóbna), takže saponát zostáva na povrchu vody. Väzby, ktoré molekuly mydla vytvárajú s molekulami vody, sú oveľa slabšie ako vodíkové väzby medzi molekulami vody. Vo vode kontaminovanej čistiacim prostriedkom je povrchové napätie príliš slabé na to, aby udržalo pripináčik alebo korčuliarku, ktoré sa v dôsledku toho potopia.

Vedci si vzali príklad zo stavby tela korčuliarok a vytvorili robotický hmyz, ktorý dokáže chodiť a skákať po vodnej hladine. Robotická verzia sa dokáže odraziť z vodnej hladiny bez toho, aby svojimi nohami prerazila jej povrch. Využíva na to rovnaké fyzikálne sily, ako korčuliarky v prírode. Odráža sa silou pôsobiacou smerom dole na vodnú hladinu, ktorá však nikdy nepresiahne silu povrchového napätia vody, teda silu, ktorá k sebe „lepí“ jednotlivé molekuly povrchu vodnej hladiny. 

Hoci cieľom výskumníkov bolo prebádať nové možnosti robotickej mobility vo vodnom prostredí, vedia si predstaviť aj environmentálne využitie ich robotickej korčuliarky, a to na monitoring znečistenia vodných telies. V budúcnosti by bolo možné monitorovať životné prostredie vodných tokov, priehrad, jazier, mora atď. pomocou siete týchto robotov s miniatúrnymi senzormi, palubnou elektronikou a zdrojom energie.

Napadá vám ešte iné využitie?

Možné prepojenie na vzdelávaciu metodiku STE(A)M:

• Fyzika, matematika, chémia: skúmanie rozdielov medzi účinkami odporu vzduchu, odporu vody a trenia. Skúmanie fyzikálnych a chemických vlastností prostredia, so zvýšenou pozornosťou venovanou rozhraniam rôznych prostredí (napríklad povrch vodnej hladiny v dotyku so vzduchom a v závislosti na tlaku vzduchu, teplote vzduchu, vody, chemickom zložení vody, vzduchu...).
• Inžinierstvo: navrhovanie materiálov, štruktúr a systémov, napodobňujúcich napr. anatómiu živých organizmov. Využívanie fyzikálnych a chemických vlastností prostredia, so zvýšenou pozornosťou venovanou rozhraniam rôznych prostredí (napríklad povrch vodnej hladiny v dotyku so vzduchom).
• Technológia: vývoj technológií, inšpirovaných fungovaním živých systémov.
• Vytváranie hypotéz a ich overovanie jednoduchými pokusmi a pozorovaniami.
• Vyhľadávanie, interpretácia a použitie vedeckých dôkazov na zodpovedanie otázok.
• Pozorovanie a kladenie otázok o tom, ako sa rôzne organizmy prispôsobujú.
• Analýzy výhod a nevýhod rôznych prispôsobení/správania.
• Aplikácia učením objavených skutočností na problémy reálneho sveta.

• Ako môže bežný spotrebiteľ chrániť vodné živočíchy ako je korčuliarka? Bezpečnejšie detergenty pre európskych spotrebiteľov (čistiace prostriedky znižujú povrchové napätie vody, čím zlepšujú čistiace vlasntosti, ale má to negatívny dopad na životné prostredie - živočíchy obývajúce povrchovú blanku sa už na vode nedokážu udržať, viď Ďalšie zdroje - Vodný svet pod lupou)

• Môžu roboty skákať po vode? Pozrite si videá: Can a Robot Jump on Water? Robot Jumps Off Water: Emulating the natural locomotion of water strider insects Jumping on Water: Robotic Water Strider
• Ďalšie informácie o úžasnej vodnej korčuliarke - video s Janine Benyus AskNature Nugget Ep. 13: Water Strider.
• Povrchové napätie - čo je to a javy v bežnom živote
• Aktivita na biológiu pre piatakov: Zázrak - po vode sa dá chodiť
• Fyzikálne pokusy v rovesníckom vzdelávaní - zborník pre pedagógov
• Vodný svet pod lupou - príručka pre pedagógov
• Čítajme zloženie výrobkov - pozor na povrchovo aktívne látky