Kolejna zagadka z serii "Fizyka spławika"
Mamy spławik z węglową wstawką i plastikową końcówką antenki.
Chciałbym opisać inne możliwości zachowania się spławika z zagadki.
Problem może ujawnić się ale nie musi się przy cienkich antenkach i spowodowany jest siłami napięcia powierzchniowego.
Na początku trzeba przypomnieć, że wyporność antenki nie zależy od materiału, z którego jest wykonana, ale wyłącznie od jej objętości, które to wielkości są równe liczbowo (wyporność w [g], objętość w [cm3] ).
Na załączonym rysunku pokazany jest spławik z długą cienką antenką, podobny jak w zagadce, ale dla celów dydaktycznych wyważony w środku cienkiego odcinka antenki.
Siła napięcia powierzchniowego działająca na antenkę F1 jest równa objętości odcinka a1 antenki. Załóżmy, że wyważenie nastąpiło idealnie, tzn. nie było siły napięcia powierzchniowego w tym czasie. Masa śruciny sygnalizacyjnej dobrana została tak, że zanurza ona antenkę od punktu B do powierzchni wody do punktu O, czyli o odcinek a2. Odcinek a1 jest równy a2. W praktyce odcinki a1 i a2 będą tym dłuższe, im cieńsza będzie antenka.
Powraca siła napięcia powierzchniowego, której wartość wynosi F1
Wykonujemy następujące działania.
1. Wciskamy palcem spławik w dół o odcinek mniejszy od a1. Po zwolnieniu nacisku antenka pozostanie w tej pozycji ponieważ wyporność tego odcinka jest mniejsza od siły F1. Maksymalnie możemy to zrobić do długości a1.
2. Jeśli antenkę wciśniemy powyżej punku A ale nie osiągniemy górnego jej zgrubienia, to antenka powróci w okolice punktu A lub trochę jeszcze niżej w zależności od jej średnicy i od gwałtowności zwolnienia na nią nacisku.
3. Jeśli antenkę wciśniemy do zgrubienia i zwolnimy nacisk, to antenka może zachować się różnie. Dotknięcie powierzchni zgrubienia spowoduje wzrost siły napięcia powierzchniowego (większa powierzchnia) i jeśli w tej sytuacji nowa siła napięcia F2 będzie większa niż objętość odcinka od punktu O do zgrubienia, to antenka pozostanie w tej pozycji. Jeśli antenkę wyciągniemy od styku z powierzchnią zgrubienia ale powyżej punktu A, to antenka przyjmie pozycję A na powierzchni.
4. Wracamy do pozycji pierwotnej antenki tak jak na rysunku. Podnosimy śrucinę sygnalizującą. Jeśli jej masa skorygowana współczynnikiem dla ołowiu równym 1,097 będzie mniejsza niż siła F1, to antenka nie wynurzy się i pozostanie w swoim położeniu jak na rysunku.
5. Podnosimy śrucinę sygnalizującą i część obciążenia do wynurzenia się antenki poniżej punktu B ale powyżej jeszcze zgrubienia spławika w wodzie. Spławik wynurzy się i po opuszczeniu obciążenia punkt B znajdzie się na powierzchni lub nieco poniżej.
6. Jeśli podniesiemy śrucinę sygnalizacyjną i część pozostałego obciążenia do pozycji w której zgrubienie części podwodnej spławika dotknie powierzchni wody, to również wzrośnie siła napięcia powierzchniowego do wartości F3. Jeśli siła ta będzie większa od objętości odcinka od punktu O do podstawy cienkiej antenki, to po powrocie śrucin do pozycji pierwotnej spławik pozostanie w tej pozycji, tj. z całą wynurzoną antenką.
Jeśli siła ta będzie mniejsza od objętości tego odcinka, to antenka wynurzy się do pozycji B.
Jak widać o zachowaniu się antenki decydują jej objętości, a więc stąd wniosek, że ten efekt wystąpi dla każdej grubości antenki, ponieważ siły napięcia powierzchniowego są powszechne. Przełoży się to natomiast różnie na długości odcinków a1 a2 i dla grubszych antenek będzie niezauważalny. Dla antenek cieńszych niż 0,8 mm suma odcinków a1 i a2 może wynosić kilka cm.
Należy zauważyć, że w zakresie odcinka AB spławik może zajmować dowolną pozycję spoczynkową i w tym zakresie nie będzie reagował na działanie sił poniżej pewnej wartości powodowanych przez rybę w górę lub w dół. Ma więc strefę nieczułości w której nie są sygnalizowane kontakty z rybą.
Jeśli antenka zanurzona jest na tym odcinku w pobliżu punktu A, to warunkiem jej jakiegokolwiek przesunięcia w dół jest siła większa od 2*F1 (objętość sumy odcinków a1 i a2). Jeśli będzie w pobliżu punktu B, to do przesunięcia wystarczy siła minimalna. Jeśli będzie w punkcie O, to wystarczy siła F1. Dla przesunięcia w górę jest odwrotnie, tj. największe konieczne zdjęcie obciążenia do zmiany położenia odpowiadające sile 2*F1 będzie w pobliżu punktu B.
Stabilną pozycję spoczynkową może też zajmować spławik w punktach styku górnego i dolnego zgrubienia. Im krótszy cienki odcinek antenki tym prawdopodobieństwo zatrzymania się tych pozycjach większe.
Wadę w punktach styku można łatwo wyeliminować dobierając obciążenie wyważające trochę powyżej punktu styku, a śrucinę sygnalizacyjną taką, aby obejmowała trochę część korpusu. Nie mam z tym zakresie doświadczenia ale myślę, że śrucina nr 8 w zupełności wystarczy.
Stosowanie cienkich antenek ma dużo zalet, to nie należy chyba z tym przesadzać, bo może prowadzić to do niejednoznaczności w ich zachowaniu się.
Wracając do zagadki. Wyważenie całego spławika było przypadkowe w okolicach połowy cienkiej antenki. Zakładając, że siły napięcia powierzchniowego były takie same dla zanurzenia do górnego jak i do dolnego zgrubienia, to takie wyważenie powodowałoby najmniejszą konieczną wartość sił napięcia do wywołania efektu opisanego w zagadce. Przesunięcie punktu wyważenia w górę lub w dół powoduje, że wspomniana siła byłaby nawet dwukrotnie większa (wyjaśnienie wyżej), co jest oczywiście możliwe ale mniej prawdopodobne. Przy zatopieniu żyłki spławik zanurzył się niezgodnie z wyważeniem do górnego zgrubienia i tam pozostał jako skutek opisanego zjawiska.
Pisałem na Forum o przekonaniu wielu wędkarzy, że spławiki z metalową antenką są czulsze niż z tradycyjną. Spławiki te są małej wyporności i mają cienkie antenki. Niektórzy łowiąc tymi spławikami zauważyli opisany wyżej efekt napięcia powierzchniowego, swego rodzaju pamięci i potraktowali to jako dowód na to, że metalowa antenka nie ma wyporności więc spławik jest czulszy. Oczywiście jest to nieprawda. Spławik z metalową antenką jest zawsze mniej czuły od tradycyjnego z powodu większej wagi i wymiarów. Jak widać autosugestia może być silna, bo wędkarze, którzy ten efekt zauważyli nie tylko łowili na mniej czuły spławik, to jeszcze z wadą w postaci jego strefy nieczułości, ale wydawało im się, że jest lepiej.
Efekt napięcia powierzchniowego można, tak jak w przypadku żyłki, praktycznie zlikwidować poprzez odtłuszczenie antenki płynem do mycia naczyń. Na ile trwały jest efekt tego zabiegu nie wiem.
Z ciekawości zmierzyłem w wodzie kranowej strefę nieczułości nieodtłuszczonych antenek o średnicy 1 i 0,8 mm. Wynosiła ona odpowiednio ok. 7 mm i 12 mm. Dla warunków rzeczywistych w zanieczyszczonej organicznie wodzie i różnym natłuszczeniu pewnie mogą być dużo większe, będą też różne w zależności od materiału antenki, rodzaju natłuszczenia i temperatury wody.