Super špirály

Krehké morské riasy dokážu prežiť búrky vďaka špirálovitému tvaru.

Morské riasy našli spôsob, ako sa vysporiadať so silným morom a búrkami - vytvárajú špirálovitý tvar, ktorý sleduje cestu najmenšieho odporu.

Existuje mnoho rôznych typov špirál, z ktorých každá má svoje jedinečné vlastnosti a charakteristiky. V prírode sa špirály bežne vyskytujú napríklad v ulitách slimákov, kde slúžia na funkčné účely, napríklad na ochranu alebo pohyb.

Vynálezca a podnikateľ Jay Harman si v detstve všimol špirálovité morské riasy a zaujala ho geometria špirálovitých tvarov, ktoré možno nájsť na mnohých miestach v prírode: od vodných tokov, cez architektúru mušlí, tvar niektorých parohov, slnečnice a dokonca aj našu vlastnú DNA. V dospelosti študoval matematické zákonitosti prúdenia tekutín, a použil ich na vytvorenie zariadení, ktoré spotrebujú oveľa menej energie a materiálu ako existujúce zariadenia.

Aký vplyv má pohyb vody na jej rýchlosť?

• Rozdeľte žiakov do skupín po 3. Dvom žiakom dajte (plastovú) fľašu s vodou a jednému stopky.
• Dvaja žiaci s fľašou začnú súťažiť o to, komu sa podarí čo najrýchlejšie vyliať vodu z fľaše. Žiak 1 sa snaží dostať vodu von tak, že fľašou trasie hore a dole; žiak 2 tak, že fľašou pohybuje do kruhu (ako špirála). Stláčanie fľaše pri vylievaní ale nedovoľte, výsledok by to skreslilo (alt. je použitie sklenených fliaš, ktoré sa nedajú stláčať).
• Kto bude mať ako prvý prázdnu fľašu? Prečo si myslíte, že sa to stane?

Prečo voda vyteká v tvare špirály?

Keď vypustíte plnú vaňu a necháte vodu odtiecť, môžete vidieť, ako voda tečie v špirále. Predtým, ako otvoríte odtok, voda už má určitý pohyb, aj keď pravdepodobne príliš pomalý na to, aby ste si ho všimli. Keď otvoríte vypúšťací otvor, pohyb vody sa zrýchli, pretože musí prejsť užším kanálom. Voda padajúca do odtoku sa potom pohybuje rýchlejšie ako voda ďalej od odtoku. Keď sa voda na jednom mieste pohybuje rýchlejšie ako na inom mieste, začne sa točiť. Zakrivenie tečúcej vody potom začne vytvárať špirálu. Tento typ špirály, pri ktorom sa zakrivenie zväčšuje, keď obieha okolo bodu, sa nazýva aj rastová špirála.

Podrobnejšie vysvetlenie

Keď sa voda otáča, vytvára v strede kruhu oblasť s nízkym tlakom. Nízkotlaková oblasť nasáva viac vody z okolia, čo spôsobuje, že rotujúca voda sa pohybuje čoraz rýchlejšie. Tento jav je známy ako vír, čo je vírivé prúdenie kvapaliny, ktorá sa otáča okolo osi.

Veľkosť a správanie sa víru vo vani, z ktorej vypúšťame vodu, môže ovplyvniť niekoľko faktorov, napríklad veľkosť a tvar vypúšťacieho otvoru, viskozita a teplota vody a akékoľvek prekážky v prúdení. Pochopenie vírov a ich správania môže byť dôležité v oblastiach, ako je dynamika kvapalín a hydraulické inžinierstvo, kde zohrávajú úlohu v mnohých reálnych aplikáciách.

Ako špirálovitý tvar pomáha morským riasam

Kelp, druh veľkej hnedej morskej riasy, sa pohybuje v špirálach v dôsledku pohybu oceánskych prúdov. V oceánoch je voda vystavená silným prúdom a vlnám. Keď sa voda pohybuje okolo rias, vytvára trenie, ktoré spôsobuje ich kývanie a ohýbanie. Opakované ohýbanie a kolísanie rias môže časom spôsobiť ich špirálovitý rast, pretože sa snažia nájsť cestu najmenšieho odporu v prúde. Tento špirálovitý rast môže byť ovplyvnený rôznymi faktormi, napríklad smerom a silou prúdov, prítomnosťou iných podvodných štruktúr a biológiou a fyziológiou samotných rias.

Špirálovitý rast rias môže mať rôzne ekologické výhody. Ako už bolo uvedené, pomáha chaluhám lepšie odolávať silám oceánskych prúdov a vĺn, čo môže znížiť riziko poškodenia a zvýšiť ich celkové prežitie. Okrem toho môže špirálovitý tvar zväčšiť plochu dostupnú na fotosyntézu a zlepšiť schopnosť rias absorbovať živiny a slnečné svetlo.

Inšpirovaný vzormi prúdenia vody v prírode vytvoril Jay Harman premiešavač vody, ktorý tvarom pripomína kvet kaly. Zariadenie napodobňuje vzor prúdenia vírov pomocou série lopatiek usporiadaných do špirály. Vďaka špirálovému tvaru lopatiek vytvárajú pri otáčaní hladké, neturbulentné prúdenie vody. Keďže premiešavač sa môže otáčať s minimálnym príkonom energie, znižuje množstvo energie potrebnej na miešanie a cirkuláciu vody.

Tým sa znižuje akékoľvek poškodzovanie životného prostredia v dôsledku používania energie a zároveň to šetrí finančné zdroje. Okrem toho, keďže je premiešavač navrhnutý tak, aby vytváral jemné prúdenie vody, nižšie je aj riziko poškodenia rýb alebo iných vodných živočíchov silnými prúdmi alebo turbulenciami vo vode. Inovácia sa používa v rôznych aplikáciách vrátane úpravy vody, čistenia odpadových vôd aj pri iných priemyselných procesoch.

Veľkým prínosom špirálového premiešavača je udržiavanie nádrže na vodu čistej bez použitia chlóru alebo iných chemikálií.

Možné prepojenie na vyučovaciu metodiku STE(A)M:

• Vzdelávanie v oblasti prírodných vied: skúmanie a pochopenie vzťahu medzi štruktúrou a funkciou. Štúdium adaptácie živých organizmov v reakcii na ich životné potreby ako aj na ich životné prostredie. Analyzovanie výhod a nevýhod rôznych adaptácií. Skúmanie evolučných súvislostí.
• Inžinierstvo, technológia: navrhovanie materiálov, štruktúr, systémov a technológií, napodobňujúcich stavbu a fungovanie tiel živých organizmov alebo fyzikálne a chemické vlastnosti vody, vzduchu. Zákony hydrodynamiky, aerodynamiky. Hydraulické inžinierstvo.
• Udržateľnosť, ekológia: pri designovaní materiálov či konštrukcií sa otvárajú možnosti pre energeticky efektívnejšie a ekologicky šetrné riešenia inšpirované prírodnými vzormi.
• Výtvarné umenie: inšpirácia k vytváraniu umeleckých diel (príp. nových výtvarných techník) s využitím prírodných tvarov, štruktúr, zákonov hydro- a aero-dynamiky.
• Rozšírenie vedeckého pohľadu na okolitý svet.
• Vytváranie hypotéz a ich overovanie jednoduchými pokusmi a pozorovaniami.
• Vyhľadávanie, interpretácia a použitie vedeckých dôkazov na zodpovedanie otázok.
• Aplikácia učením objavených skutočností na problémy reálneho sveta.

• Kde všade v prírode nachádzame špirálové tvary? Why Do Spirals Exis Everywhere in Nature?
• Ak sú špirály také časté v prírode, kde by sme ich mohli využiť v ľudskej spoločnosti? Viete uviesť nejaký príklad špirál vytvorených človekom? Pestovanie na kruhových parcelách Architektúra - Hundertwasserova špirála

• Pozrite si video s premiešavačom Jaya Harmana (watch here).
• Ďalšie vysvetlenie o vodných víroch (read more here).
• Pozrite sa, ako sa chaluhy pohybujú v oceáne (watch here).
• Pozrite sa na inovatívne vodné elektrárne založené na princípe vírov (watch here).