Feladat: 404. fizika gyakorlat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Ács József ,  Czifra András ,  Lorencz Kinga ,  Szalontai Zoltán 
Füzet: 1977/szeptember, 34 - 35. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Egyenletesen gyorsuló rendszerek, Egyéb folyadék- és gázáramlás, Egyéb felhajtóerő, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1977/február: 404. fizika gyakorlat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A gyertya lángja jellegzetes alakját annak köszönheti, hogy a forró, légnemű égéstermékek kisebb fajsúlyúak a környező szobahőmérsékletű levegőnél, így Archimedes törvénye szerint felfelé áramlanak. A 391. gyakorlat megoldása [KML 54 (1977) 43] ezt a jelenséget részletesen tárgyalta.

 

Az a) esetben nem változik meg a láng alakja, hiszen az összes test (a gyertya, a doboz, az égéstermékek) a nyugvó esethez képest állandó sebességgel mozog, ehhez pedig nem szükséges erő. (Ez közvetlenül is megfigyelhető pl. egy zárt ‐ huzatmentes ‐ vasúti kocsiban, ha a kocsi egyenletes sebességgel halad.)
 

A b) esetben a doboz sebességét egyre növeljük. A testek gyorsításához erő kell. Ezt az erőt a gyertya a merev rögzítésen keresztül megkapja, a gyertya együtt gyorsul a dobozzal. Más a helyzet a gázokkal.
 

Először nézzük meg, milyen erő tartja a levegő részecskéit a magasban, azok miért nem "esnek le'' a földre. Az egyes levegő ‐ térfogatrészek ‐ "levegődarabok'' ‐ akkor lehetnek egyensúlyban, ha a rájuk ható eredő erő nulla. Ez úgy lehetséges, hogy a lefelé ható súlyerőt a légnyomásból származó felfelé és lefelé ható nyomóerők különbsége egyensúlyozza ki. Tudjuk ugyanis, hogy a légnyomás a magasabb helyeken kisebb. A levegő sűrűsége azonban igen kicsi ‐ a folyékony és szilárd testek sűrűségéhez képest ‐, ezért döntő szerepe van az akár néhány centiméteren létrejövő nyomáskülönbségnek is. Ez a hétköznapi műszerekkel nem érzékelhető nyomáskülönbség tartja egyensúlyban a levegőt oly módon, hogy a "levegődarab'' alján kicsit nagyobb a nyomás, és így a nyomóerő is, mint a tetején, különbségük egyenlő a "levegődarab'' súlyával.
A gyertya és a doboz gyorsításához vízszintes irányú erőre van szükség. Ez az erő nagyon hasonlít a súlyerőt kiegyenlítő, nyomáskülönbségekből származó erőhöz. A gyorsuló dobozban nemcsak felfelé haladva csökken a légnyomás, hanem ‐ szintén igen kis mértékben ‐ a dobozban elöl (a gyorsítás irányában) is kisebb lesz a nyomás, mint hátul. Az egyes "levegődarabokat'' a légnyomáskülönbségből származó erő gyorsítja. Így, mivel a kisebb sűrűségű láng ‐ az égéstermékek ‐ Archimedes törvénye szerint arra terjed ki, amerre a nyomás csökken, a láng a legkisebb nyomású hely irányába hajlik, vagyis előre és fölfelé.
 

A c) esetben a dobozt lassítjuk, ekkor az előbbi gondolatmenettel beláthatjuk, hogy a láng a haladás irányával szemben ‐ hátrafelé ‐ hajlik el.
 

A d) esetben az egyes gázrészecskék szabadon esnek, így nem alakul ki az előző esetekhez hasonló nyomáskülönbség a dobozban. Az Archimedes törvényből származó felhajtóerő így nulla, valójában súlytalanság állapotáról beszélhetünk. Ez a helyzet azonos a 391. gyakorlat megoldásában tárgyalt ‐ űrhajó belsejében égő ‐ gyertyáéval, azaz a láng gömb alakot vesz fel, elveszti jellegzetes láng formáját.
 

  Lorencz Kinga (Miskolc, Földes F. Gimn., I. o. t.) dolgozata alapjná