kulinářská fyzika - Gymnázium, Olomouc, Čajkovského 9

Fyzika na scéně – exploratorium pro žáky základních a středních škol
reg. č.: CZ.1.07/1.1.04/03.0042
KULINÁŘSKÁ FYZIKA
Renata Holubová
Olomouc 2012
Zpracováno v rámci realizace projektu Evropského sociálního fondu a Olomouckého kraje, OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost:
Zvyšování kvality ve vzdělávání
Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.04/03.0042
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
První vydání
© Gymnázium Olomouc, Čajkovského 9, 2012
ISBN 978-80-7329-316-1 (Repronis)
Obsah
Technické pomůcky používané v kuchyni
5
Chladničky a mrazničky
28
Papinův tlakový hrnec
34
Vybrané potraviny v kulinářské fyzice
37
Pokusy s ostatními pomůckami
61
3
Technické pomůcky používané v kuchyni
Kulinářská fyzika je mezioborová vědní disciplína, která využívá poznatků
fyziky, chemie, biologie, lékařství, matematiky a techniky. Kulinářská fyzika
studuje teorii přípravy potravin, fyzikální a chemické procesy, které probíhají
během různých úprav pokrmů. Součástí kulinářské fyziky je i studium technického zázemí, neboť bez vynálezů z oblasti fyziky a techniky, které využíváme
v kuchyni, by nebyla kuchyně taková, jako ji známe z každodenního života.
Součástí kulinářské fyziky jsou také poznatky o výživě, složení potravin, jejich
energetické hodnotě a zdravém způsobu stravování.
Mikrovlnná trouba
Mikrovlnná trouba byla objevena náhodně při experimentech s radary. Objev
využití mikrovln k ohřevu je připisován Američanu Percymu Spencerovi
(1946). Při pokusech s magnetronem zjistil, že se mu v kapse roztavily bonbóny. Když k magnetronu přiblížil kukuřici, došlo k jejímu puknutí. Dr. Spenser
pochopil, že by takto šly ohřívat nejrůznější pokrmy. Svůj objev si nechal patentovat a již v roce 1947 byla zahájena výroba prvních mikrovlnných trub. Ve
svých začátcích byl magnetron chlazen vodou, ohřívací komora svou výškou
připomínala šatník. Cena dosahovala 5000 dolarů. Pro běžné využití
v domácnosti byl tento typ nevýhodný, drahý, pro domácnosti bylo třeba vyvinout mnohem menší prototyp zařízení. Chlazení vodou bylo nahrazeno chlazením pomocí vzduchu. Výroba tohoto nového typu mikrovlnné trouby byla
zahájena v roce 1966. Cena těchto trub se pohybovala kolem 1300 dolarů. Největší rozvoj používání této techniky byl zaznamenán v 60. a 70. letech 20. století, cena trub klesla na „pouhých“ 500 dolarů. Trouby byly nejvíce používány
na rozmrazování potravin. U nás mikrovlnnou troubu dnes používá přes 50 %
domácností, v Americe dokonce 90%. Výroba trub musí splňovat velmi přísné
bezpečnostní požadavky týkající se intenzity záření a zamezení jeho úniku do
volného prostoru. Odhaduje se, že v provozu je více než 200 milionů kusů
mikrovlnných trub.
Z historického pohledu je dále zajímavé, že teorie týkající se schopnosti elektromagnetických vln centimetrové délky ohřívat vodu byly známy ještě před
experimentálním ověřením tohoto jevu. Kvantitativní popis předložil Paul
Debye, který odvodil rovnice, které dnes nesou jeho jméno (Debyeovy rovnice).
5
Popisují závislost reálné a komplexní složky relativní permitivity na frekvenci
záření.
Princip činnosti mikrovlnné trouby
Běžné mikrovlnné trouby v domácnostech používají frekvenci 2 450 MHz
a pracují s výkonem od 500 W do 1 100 W. Mikrovlny jsou generovány magnetronem a po zapnutí jsou rozptylovány do všech směrů. Při jejich dopadu na
kovové stěny mikrovlnné trouby se odrážejí a potraviny vložené do trouby
absorbují jejich energii. Na rozdíl od elektromagnetického vlnění jiných vlnových délek, např. světla, které neproniká pod povrch látek, na které dopadá,
dokáží mikrovlny proniknout hluboko pod povrch látky. Vzhledem ke struktuře
molekul vody jsou tyto molekuly extrémně citlivé vůči dopadajícímu mikrovlnnému záření, rozkmitají se a látka se zahřívá. V důsledku odrazů vln od stěn,
vzniká uvnitř prostoru stojaté vlnění, tedy místa, kde jsou kmitny a uzly.
V místě kmiten je zahřátí látky největší, v místě uzlů prakticky nulové. Pro
rovnoměrné prohřátí se proto látka umisťuje na otočný talíř.
Obr. 1 Řez mikrovlnnou troubou (1 – vysokofrekvenční zdroj, 2 – magnetron,
3 – vlnovod, 4 – rozptylovač mikrovln, 5,6 – varný prostor)
Mikrovlny vyzařuje do vlnovodu krátká vysílací anténa na magnetronu nebo
invertoru. Tato vysílací elektronka je napájena vysokonapěťovým transformátorem. Vlny vstupují vlnovodem do vnitřní komory trouby okénkem přes otáčející se hliníkovou vrtulku (vířiče vln), který je odráží do nejrůznějších směrů,
z nichž se pak dále tisíckrát odrážejí o její lesklé stěny. Vrtulka se otáčí přibližně 50krát za minutu proudem vzduchu, který prohání kolem magnetronu
a transformátoru vrtulka ventilátoru, starající se o jejich ochlazení.
6
Obr. 2 Vnější pohled na mikrovlnnou troubu (1 – bezpečnostní zámek, 2 – sklo
dvířek, 3 – větrací otvory, 4 – vypínač mikrovlnky, 5 – časovač, 6 – tlačítko
otevírání dveří, 7 – náhon otočného talíře, 8 – otočný talíř)
Obr. 3 Magnetron
Obr. 4, 5 Pohled na magnetron shora
7
Co jsou mikrovlny?
Mikrovlny představují velmi krátké elektromagnetické centimetrové vlny
s vlnovou délkou asi 12,5 cm, které se šíří rychlostí světla. Vysílačem vln jsou
speciální druhy elektronek – tzv. magnetrony, popř. novější invertory.
V magnetronu se elektrická energie přeměňuje na energii elektromagnetického
záření. Jak název napovídá, hlavní část magnetronu tvoří prstencový magnet,
do něhož je vložena trubice (vakuovaná) se žhavicí katodou a rezonanční komory. Magnetron je napájen vysokofrekvenčním zdrojem. Žhavicí katoda pracuje pod napětím řádově voltů, anoda magnetronu má napětí několik tisíc voltů.
Ze žhavicí katody se uvolňují elektrony, které se pohybují směrem k anodě, ale
vlivem magnetického pole se jejich trajektorie zakřivuje a stává se kruhovou.
Vysokofrekvenční kmity jsou indukovány uvolněnými elektrony v rezonančních komorách. V tomto uspořádání hodnota frekvence kolísá. Existuje uspořádání, které generuje vysokofrekvenční kmity s definovanou frekvencí – tzv.
klystron.
Mikrovlny jsou vlnovodem odváděny k prostoru, kde jsou rozptýleny tak, aby
pole uvnitř rezonátoru bylo pokud možno homogenní.
Magnetrony pracují s kontinuálním výkonem jen při nastavení plného výkonu
a při nastavení nižších stupňů pracují impulzně – se střídavým zapínáním
a vypínáním, zatímco invertory vyzařují nepřetržitý regulovatelný výkon. Invertor je rozměrově menší, což umožnilo zvětšení prostoru komory pro ohřívání a vaření. Mikrovlny se hojně užívají pro vysílání televize, v radarech pro
navigaci či pro telekomunikaci, zahrnující mobilní telefony. Mikrovlny se šíří
prostorem, odrážejí se od předmětů a jsou pohlcovány materiály, které obsahují
vodu, například potraviny. Takto pohlcená mikrovlnná energie se následně
mění v teplo.
Bezpečnost a rizika mikrovlnné trouby
Konstrukce mikrovlnných trub zajišťuje, že mikrovlny jsou uzavřeny uvnitř
trouby a mohou být zapnuty, jen když jsou zavřená dvířka trouby a současně je
zapnut elektrický spínač. Pronikání vln spáry u dvířek je omezené konstrukcí
tak, že úroveň vyzařování je bezpečně pod hodnotami doporučenými mezinárodními standardy. Ohřívání potravin v mikrovlnné troubě má svá specifika. Při
varu vody na obyčejném sporáku pára samovolně odchází bublinkami
v kapalině. V mikrovlnné troubě však na povrchu nemusejí být žádné bublinky,
voda se může přehřát a náhle vzkypět. Var vody může být vyvolán byť jen
8
jedinou bublinou v kapalině, či vniknutím cizího tělesa, například lžíce.
V mnoha případech se lidé s kontaktem s přehřátou vodou těžce popálili.
Dále se nedoporučuje mikrovlnnou troubu zapínat bez vložené potraviny.
V prázdném prostoru by došlo k odrážení mikrovln od stěn a jejich zpětnému
vrácení k magnetronu, což by jej mohlo vážně poškodit.
Další zvláštností mikrovlnných trub je různý příjem tepla u různých potravin.
Potraviny jsou složeny ze surovin, které se různě rychle ohřívají a v důsledku
velkých teplotních rozdílů mohou vybuchnout. To se například může stát
u vajec či ořechů, které jsou vloženy do mikrovlnné trouby ve svém přirozeném
obalu, ve skořápce.
Jídlo připravené v mikrovlnné troubě je stejně bezpečné jako potravina připravená v obyčejné troubě. Zároveň nedochází ke ztrátě vitamínů a její výživové
hodnoty. Největším rozdílem mezi sporákem či obyčejnou troubou
a mikrovlnnou troubou je rychlost ohřevu, neboť mikrovlnná energie proniká
do potraviny hlouběji, a tím zkracuje dobu potřebnou k jejímu ohřevu. Mikrovlny se absorbují jen v zahřívané potravině a nikoliv v celém prostoru trouby.
Pokuste se odpovědět (převzato z publikace [1]):
1. Z jakého důvodu se v mikrovlnné troubě porcelánové či plastové nádobí
přímo neohřívá?
U těchto materiálů dochází pouze k nepřímému zahřátí od pokrmů, které obsahují vodu. Frekvence zdroje mikrovlnného záření je volena tak, aby záření
rezonančně rozkmitávalo co nejvíce právě molekuly vody, a tím jim předávalo
svoji energii. Nevodiče neobsahující vodu toto záření téměř nepohlcují, a proto
se v mikrovlnné troubě téměř neohřívají.
2. Proč nemůžeme v mikrovlnné troubě používat kovové nádobí? Proč na okrajích pozlacených talířů vzniká jiskření?
Vložením elektrického vodiče do mikrovlnné trouby bude docházet ke vzniku
indukovaných proudů v tomto vodiči. Tyto proudy například způsobují jiskření
v místech přerušení pozlacení talířů. Jiskřičky jsou výboje uzavírající přerušený
kruhový elektrický obvod indukovaných proudů. Mikrovlnnou troubu si můžeme představit jako transformátor, jehož primárním vinutím je mikrovlnný
zdroj a sekundárním v troubě umístěné vodivé těleso. Vyvoláním vířivých
9
proudů ve vodiči elektromagnetickým vlněním se zvýší výkon a zatížení mikrovlnného zdroje, a tím může dojít až k jeho poškození.
3. Jaká je hlavní výhoda mikrovlnné trouby při ohřevu či vaření potravin?
Mikrovlnná trouba ohřívá pouze pokrm a tepelné ztráty jsou oproti klasickému
ohřívání mnohem menší.
Pokusy s mikrovlnnou troubou
Základní vlastnosti mikrovlnného ohřevu a rozložení kmiten a uzlů ve varném
prostoru mikrovlnné trouby. Pomocí mikrovlnné trouby lze demonstrovat vznik
plazmového výboje.
Zařazení experimentů do učiva fyziky:
-
demonstrace Faradayova zákona elektromagnetické indukce a objasnění
vzniku Foucaultových vířivých proudů (CD) (SŠ učivo Elektřina a magnetismus),
-
elektrické výboje v plynech (žárovka, grafitový generátor plazmatu apod.),
-
stojaté vlnění,
-
elektrický proud v kapalinách,
-
mezipředmětové vztahy fyzika – chemie,
-
moderní technika – aplikace mikrovlnného ohřevu v různých procesech.
Srovnání zahřívání vody a oleje
Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice, olej, voda
Provedení: Odměříme 100 ml vody a stejné množství oleje a nalijeme je do
dvou stejných sklenic. Počáteční teplota obou kapalin je stejná, např. pokojová
teplota. Postavíme je na otočný talíř naproti sobě do stejné vzdálenosti od okraje talíře. Výkon trouby nastavíme na 700 W a nastavíme také dobu ohřevu,
stačí 30 sekund. Po uplynutí uvedené doby ohřevu změříme teplotu obou kapalin. Měli bychom zjistit, že nárůst teploty vody je o mnoho větší, než u oleje,
který svoji teplotu prakticky nezvýší. Pokus zviditelníme pomocí termokamery.
10
Obr. 6 Ohřev vody a oleje (Diplomová práce J. Kohouta, Plzeň 2009)
Vysvětlení: Olej má přibližně nulový dipólový moment. Z fyzikálního hlediska
nedochází k bipolární polarizaci, energii mikrovln absorbuje nádoba s vodou.
Naproti tomu voda má velký dipólový moment, proto se ohřívá. Pozor, ale
uplatňují se zde i jiné mechanismy, což ukazuje pokus další, pomocí ohřevu
vody a octa.
Pozor: Dáme-li do mikrovlnné trouby jen olej, energie, která není absorbována,
může poškodit magnetron (přehřátí). Dbáme také na to, aby nedošlo k přehřátí
vody (superheating). Možná doba ohřevu je dána vztahem
tmax 
mv cv (tv  t p )
W
,
kde W je výkon mikrovlnné trouby, mv je hmotnost vody, cv je tepelná kapacita
vody, tv je teplota varu za normálních podmínek, tp je počáteční teplota vody.
Podobný pokus lze provést i pomocí vody a octa.
Zde zjistíme, že ocet se ohřívá více. Ale není to dáno jen velikostí dipólového
momentu.
Velikost dipólového momentu octa (kyselina octová) je 5,8 ∙ 10–30 C ∙ m, naproti tomu voda má dipólový moment větší (6,2 ∙ 10–30 C ∙ m). Kvantitativní vyhodnocení musí vycházet z toho, že bipolární polarizace je určena imaginární
složkou komplexní permitivity. Frekvence záření mikrovlnné trouby odpovídá
maximu absorpce kyseliny octové. Navíc vodný roztok kyseliny octové je elektrolyt, takže určitý vliv má i mechanismus odpovědný za vodivost elektrolytu.
11
Chléb v mikrovlnné troubě
Pomůcky: toastový chléb
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř či náhon otočného talíře.
Na talíř umístíme 4 plátky toastového chleba a mikrovlnnou troubu zapneme.
Dobu ohřevu nastavíme na šedesát sekund. Během provozu mikrovlnné trouby
přes sklo pozorujeme průběh pokusu. Pokud nepozorujeme žádnou změnu,
dobu ohřevu prodloužíme. Někdy je třeba dobu ohřevu prodloužit až na tři
minuty. Pokud ucítíme pach pálícího se chleba, mikrovlnnou troubu ihned
vypneme. Na plátcích chleba uvidíme na určitých místech černé spálené skvrny.
Nerovnoměrný ohřev je dán charakterem mikrovlnného záření v uzavřeném
prostoru mikrovlnné trouby. Tam, kde dojde k černání chleba, leží maximum
vlnění, kde zůstal chléb bílý, leží minimum vlnění (uzel).
Obr. 7 Vznik stojatého vlnění
Obr. 8 Kmitny a uzly
Abychom tedy zamezili nerovnoměrnému ohřívání potravin, umístíme chleba
nebo jinou potravinu na otočný talíř. Dá se také použít kovový větráček, který
umístíme hned na vstup mikrovln do trouby. Dochází k odklonu mikrovln různými směry tak, že se maxima tvoří v různých místech.
Shrnutí
Pokus demonstruje vznik maxim a minim vlnění při chybějícím otočném talíři.
Tento experiment lze zařadit mezi domácí pokusy, k poškození mikrovlnné
trouby nedochází. Pokud se troubu podaří vypnout včas, zamezíme také nepříjemnému zápachu z pálícího se chleba.
Pokus demonstruje důležitost otočného talíře. Pokus je nenáročný na realizaci.
12
Mokrý a suchý chléb v mikrovlnné troubě
Pomůcky: suchý tvrdý chléb (jeden krajíc), krajíc chleba namočený ve vodě,
mikrovlnná trouba
Provedení: Připravené krajíce stejné velikosti umístíme na otočný talíř
v mikrovlnné troubě naproti sobě do stejné vzdálenosti od okraje talíře. Troubu
nastavíme na plný výkon, nastavíme také dobu pro ohřívání, dostatečná doba je
15 sekund. Zapneme mikrovlnnou troubu. Po otevření trouby porovnáme teplotu suchého a mokrého chleba.
Vysvětlení: Suchý chléb neobsahuje vodu, naproti tomu mokrý chléb má dostatek vody, která se mikrovlnné troubě zahřeje, a tím je zahřátý i mokrý chléb.
Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, sklenice s vodou, faxový papír
Provedení: Rozložení kmiten a uzlů v mikrovlnné troubě lze zjistit pomocí
různých pomůcek. Můžeme v troubě rozmístit sklenice s vodou a určovat, ve
kterých z nich dojde k výraznému zvýšení teploty, nebo můžeme použít např.
faxový papír, který mírně navlhčíme. Pro tyto experimenty z mikrovlnné trouby
vyjmeme otočný talíř.
Použijeme-li faxový papír, je třeba jej stejnoměrně navlhčit. Do mikrovlnné
trouby se vkládá hladkou stranou nahoru. Troubu zapneme na plný výkon
a pozorujeme papír. Za chvíli se v určitých místech objeví tmavé skvrny. Troubu vypneme.
Vysvětlení: Faxový papír černá při určité teplotě (asi 65 °C). Jak bylo už řečeno,
voda dobře absorbuje mikrovlny a proto tam, kde je největší amplituda intenzity proměnného elektrického pole, zahřeje se toto místo na vysokou teplotu.
Papír černá. Takto lze zjistit polohu kmiten. Zobrazení elektrického pole lze
zobrazit i pomocí infračervené kamery. Prostorové rozložení pole lze demonstrovat pomocí papíru, který přichytíme ke stěnám ve varném prostoru mikrovlnné trouby. Rozložení kmiten je nestejnoměrné.
Měření rychlosti světla
Pokus navazuje na pokus předchozí, slouží zejména k posílení představy, že
všechny vlny v elektromagnetickém spektru se šíří rychlostí světla.
Pomůcky: plátky toustového chleba z minulého pokusu, pravítko
13
Provedení: Použijeme toustový chléb z předchozího pokusu. Pomocí plastového pravítka změříme vzdálenost černých, spálených skvrn, přičemž měříme od
středu jedné skvrny ke středu druhé, nejbližší skvrny. Naměřenou vzdálenost
(v metrech) vynásobíme dvěma a dostaneme vlnovou délku vln mikrovlnné
trouby (hodnota by se měla pohybovat okolo 0,12-0,125 metrů). K výpočtu
rychlosti světla je třeba dále znát velikost frekvence mikrovln. Můžeme ji zpravidla přečíst na štítku ze zadní strany mikrovlnné trouby, jako standardní hodnotu je možné vzít 2 450 MHz, neboť většina mikrovlnných trub pracuje na
této frekvenci. Hodnotu převedeme na jednotku hertz. Vzorec pro výpočet
rychlosti světla v mikrovlnné troubě můžeme upravit na tvar
c  f ,
kde c je rychlost světla,  vlnová délka mikrovln a f frekvence mikrovln. Přesná
hodnota rychlosti světla ve vakuu činí 299 792 458 m ∙ s–1.
Pokus měření rychlosti světla pomocí mikrovlnné trouby můžeme provádět
také s tousty namazanými margarínem. Dbáme na to, aby byl chléb dobře namazán i v místech, kde se jednotlivé plátky chleba dotýkají. V mikrovlnné
troubě je necháme tak dlouho, dokud nezpozorujeme tání margarínu. Při tomto
měření jsou naměřené hodnoty méně přesné než u pokusu s obyčejným toastovým chlebem. Větší přesnosti dosáhneme, když toust s margarínem necháme
v mikrovlnné troubě déle, tedy až do doby, kdy margarín začne lehce oranžovět. Poté se měření stane přesnějším.
Při použití toustu bez margarínu (tabulka 1) byla doba potřebná ke zjištění
rychlosti světla 3 minuty, při použití toustu s margarínem (tabulka 2) byla potřebná doba 4 minuty. Doba sice je delší, ale předejdeme riziku zápachu spáleného chleba.
Tabulka 1. Výsledky měření při konkrétním pokusu – suchý toast
Pokus
/2 m
 m
c m ∙ s–1
1
0,06
0,120
2,940∙108
2
0,063
0,126
3,087∙108
3
0,062
0,124
3,038∙108
4
0,61
0,122
2,989∙108
14
Tabulka 2. Toust namazaný margarínem
Pokus
/2 m
 m
c m ∙ s–1
1
0,064
0,128
3,136∙108
2
0,059
0,118
2,891∙108
3
0,063
0,126
3,087∙108
4
0,063
0,126
3,087∙108
Pokus můžeme provádět i s použitím dalších surovin, například čokolády, plátkového sýra.
Shrnutí:
Z výsledku je patrné, že měření rychlostí světla touto cestou je vcelku přesné.
Malé nepřesnosti mohou být způsobené nepřesným měřením vzdáleností mezi
jednotlivými tmavými skvrnami.
Obr. 9 Poloha kmiten při zahřátí
toastového chleba
Obr. 10 Měření vzdálenosti dvou kmiten
Přesné určení rozložení kmiten v mikrovlnné troubě je dosti obtížné, protože
pole má prostorové rozložení a poloha kmiten není ve stejné výšce nade dnem
trouby. Předem tedy musíme získat představu o prostorovém rozložení elektrického pole. Můžeme k tomu použít již zmíněný faxový papír, který budeme
postupně zvedat v prostoru trouby přibližně po 0,5 cm. Analýzou obrázků můžeme potom dosti přesně stanovit polohu dvou sousedních kmiten. Jinou mož15
ností, jak získat představu o prostorovém rozložení stojatého vlnění, je použití
toastového chleba, který navrstvíme na sebe a vyplníme jím podstatnou část
vnitřního prostoru trouby. Přijatelné výsledky získáme pomocí velké tabulky
čokolády, kterou umístíme na dno trouby (bez otočného talíře). Troubu zapneme na plný výkon. V místě kmiten se čokoláda začne topit.
Obdobně lze použít i bonbóny Marshmallows.
Prostorové rozložení stojatých vln lze demonstrovat i pomocí CD umístěného
na stěně trouby. Po zapnutí trouby nedojde k jeho zničení. Neopakuje se tedy
případ CD položeného na dno trouby.
Vysvětlení: Normálová složka intenzity magnetického pole je konstantní,
v rovině disku se neindukují vířivé proudy. Pokud je naopak CD umístěno
v místě nenulové amplitudy magnetické indukce, dochází k časové změně
magnetického indukčního toku, vznikají Foucaultovy vířivé proudy v rovině
CD a disk jiskří.
Rozložení kmiten lze ovlivnit pomocí velké sklenice s vodou umístěné
v mikrovlnné troubě. Zopakujeme pokus s faxovým papírem a výsledky porovnáme. Malá sklenice vody (100 ml) nemá na rozložení kmiten vliv.
Vznik plazmatu v mikrovlnné troubě
Poznámky k fyzikálnímu principu vzniku plazmatu.
Jsou možné dva způsoby vzniku. První nastává u vodivých předmětů s velkou
plochou (CD). V tomto případě dochází k rychlé změně vektoru magnetické
indukce, což odpovídá velké časové změně indukčního toku a podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce vzniká velké indukované napětí v rovině
předmětu. Navíc je to vodič, vznikají Foucaultovy vířivé proudy velké intenzity, které zahřejí látku natolik, že dochází k termoemisi elektronů z povrchu
látky. Proměnné elektrické pole tyto elektrony urychluje natolik, že mají dostatečnou energii k excitaci a ionizaci plynu. Vzniká plazmový výboj.
Máme-li předměty s malým plošným obsahem, je mechanismus vzniku plazmatu odlišný. Zde se Foucaultovy proudy neuplatní, ale stěžejní je urychlení elektronů proměnným elektrickým polem, kdy elektrony získají energii převyšující
výstupní práci. K ionizaci dochází vlivem srážek elektronů a molekul plynu.
16
CD v mikrovlnné troubě
Tento pokus není vhodné provádět doma, může dojít k poškození mikrovlnné
trouby. Zároveň si musíme dát pozor, aby místnost, kde pracujeme, byla dobře
větraná.
Pomůcky: CD bez potisku, mikrovlnná trouba
Provedení: Do mikrovlnné trouby dáme nefunkční CD, nebo CD, které nepoužíváme, neboť tento pokus ho trvale zničí. CD vkládáme do mikrovlnné trouby
nepotištěnou stranou nahoru. Mikrovlnnou troubu zapneme na plný výkon
a nastavíme časomíru na 5 sekund. Musíme být připraveni troubu vypnout,
když uvidíme, že se z CD začne kouřit. Tyto plyny jsou škodlivé při vdechnutí,
proto pracujeme s troubou umístěnou poblíž otevřeného okna nebo v místnosti
s dobrou cirkulací vzduchu. Pozorujeme.
Po zapnutí začne CD nepravidelně jiskřit, světelné efekty jsou doplněny pro
jiskření typickým praskáním. Tenká vrstva hliníku na CD je silně zahřívána, až
nakonec shoří. Toto spalování začne v několika místech samovolně vznikajícími jiskrami a ve velmi krátké době se rozšíří po celé ploše CD. V umělé hmotě
můžeme pozorovat charakteristické vypálené stopy.
Obr. 11 CD v mikrovlnné troubě
Upozornění:
Výše uvedený pokus není dobré provádět ve starších mikrovlnných troubách,
jsou náchylnější k poškození. Také je nebezpečné nastavit časomíru na více než
5 sekund, CD by mohlo vzplanout. CD určené k pokusu by nemělo být popsané, neboť inkoust způsobuje mohutnější kouř.
17
Vysvětlení:
Uvedený jev je důsledkem velmi rychlých změn magnetického indukčního
toku, procházejícího tenkou hliníkovou vrstvou CD. Tak je splněn předpoklad
pro vznik velmi intenzivních vířivých proudů (podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce). Proto se povrch CD velmi rychle zahřívá a dochází
k jiskření. Současně také dochází vypařování rozžhaveného hliníku, což má za
následek vznik charakteristických obrazců v tenké hliníkové vrstvě. Jsou-li
splněny podmínky k pohybu nelokalizovaných elektronů, které vyvolávají
vznik elektrických proudů, dochází k emisi elektronů z povrchu CD, elektrony
jsou urychleny proměnným elektrickým polem a dochází k jejich ionizaci.
Proudy způsobují jiskrové vybíjení, neboť vodivost není dostačující k odvedení
takto velkého množství energie. Pozorujeme plazmový výboj. Je to však až
sekundární jev, jako první je pozorováno vždy jiskření, které vzniká na základě
Faradayova zákona elektromagnetické indukce za vzniku vířivých proudů.
Lze říci, že tento experiment může být výchozí pro další pokusy. Lze navázat
pokusem s CD, kdy je přilepíme k boční stěně varného prostoru mikrovlnné
trouby. V tomto případě žádné jiskření nepozorujeme. Takto je možné experimentálně ověřit platnost okrajové podmínky pro velikost vektoru magnetické
indukce.
CD v kádince s vodou
Pomůcky: kousek CD, kádinka, studená a teplá voda, olej
Provedení: Připravíme si kousky CD, dvě stejné kádinky a studenou vodu
a olej. Na dno kádinek vložíme kousek CD a nalijeme do kádinky tolik vody,
resp. oleje, aby kapaliny sahaly dva centimetry nad CD. Obě kádinky vložíme
do mikrovlnné trouby. Nastavíme plný výkon a troubu zapneme. Pozorujeme.
Pokud je v mikrovlnné troubě kádinka s olejem, pozorujeme po zapnutí trouby
jiskření. Pokud je v troubě kádinka s CD ponořeném ve vodě, k jiskření nedochází.
Vysvětlení:
Jak bylo vysvětleno výše, studená voda dobře pohlcuje mikrovlnné záření, olej
toto záření nepohlcuje. U vody se proto snižuje amplituda intenzity magnetického pole v rovině CD. Vznikající vířivé proudy nejsou natolik silné, aby zahřály hliník na povrchu CD na teplotu, která je potřebná pro vznik jiskření.
U oleje k pohlcování záření nedochází, vířivé proudy jsou schopné vyvolat
jiskření u CD.
18
V dalším kroku ponoříme kousek CD do kádinky s teplou vodou (doporučujeme teplotu asi 60 °C). Situace se změní, opět pozorujeme jiskření kousku CD.
Vysvětlení:
Schopnost vody absorbovat mikrovlnné záření výrazně klesá s rostoucí teplotou. Z tohoto důvodu nastává situace, že u teplé vody je amplituda intenzity
magnetického pole v rovině CD mnohem větší než v případě studené vody,
v důsledku toho vznikají dostatečně velké vířivé proudy, které jsou schopny
zahřát hliník na dostatečně vysokou teplotu. Pozorujeme jiskření.
Analogií experimentu s CD je použití obalů od tuků (např. másla). Experiment
probíhá podobně jako v případě CD. Obal umisťujeme do mikrovlnné trouby
vnitřní stranou směrem nahoru. Troubu nezapínáme déle než na 5 sekund. Opět
pozorujeme jiskření, popř. i plazmový výboj. Pokus provádíme bez otočného
talíře. Z obalu samozřejmě odstraníme před zahájením pokusu papírový
vnitřek. Stejně tak lze experiment provést s hliníkovou fólií (alobalem). Zde se
osvědčilo na okraji fólii natrhnout.
Zahřátá skleněná láhev v mikrovlnné troubě
Pomůcky: skleněná láhev od piva (bez papírové etikety), mikrovlnná trouba,
kádinka s vodou
Provedení: Pokus provedeme ve dvou krocích. V prvním vložíme do mikrovlnné trouby studenou láhev od piva a troubu zapneme. Nepozorujeme žádný
efekt, žádné jiskření. Ve druhém kroku láhev na jednom místě silně zahřejeme.
(Kahan nestačí!) Mikrovlnnou troubu zapneme na maximální výkon, nastavíme
čas na 30 sekund. Nezapomeneme do trouby před jejím zapnutím vložit kádinku s asi 200 ml vody. Po zapnutí trouby a po uplynutí zhruba 30 sekund pozorujeme v tom místě, které bylo intenzivně zahřáto, výboj a následně i rozžhavení skla v daném místě.
Vysvětlení:
Voda v mikrovlnné troubě absorbuje „nespotřebované“ mikrovlnné záření. To
by se jinak vracelo k magnetronu a mohlo by jej poškodit. Co se týče jiskřícího
skla podstatou tohoto jevu je skutečnost, že při vhodném zvýšení teploty se sklo
stává vodivým materiálem. Potom jsou splněny podmínky pro vznik vířivých
proudů, které sklo rozžhaví. Proces je potom stejný jako v případě CD. Emitované elektrony, které jsou urychleny elektrickým polem, způsobí ionizaci
a excitaci molekul plynu. Vzniká plazmový výboj.
19
Žárovka v mikrovlnné troubě
Plazmový výboj není v tomto případě vyvolán změnami magnetického pole.
Výboj vzniká přímo v důsledku působení časově proměnného pole elektrického.
Pomůcky: mikrovlnná trouba, žárovka
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Výkon nastavíme na
maximum. Do trouby vložíme žárovku a troubu zapneme. Po několika sekundách pozorujeme vznik plazmového výboje. Troubu okamžitě vypneme.
V opačném případě by mohlo dojít k explozi, přehřál by se totiž skleněný obal
žárovky. Je zajímavé, že pokud měníme místo, kam žárovku položíme, mění se
barva plazmového výboje. Závisí to na velikosti amplitudy intenzity elektrického pole.
Variantou tohoto experimentu je umístit žárovku na otočný talíř. Zde pozorujeme změnu barvy výboje při otáčení žárovky na talíři, podle toho, kterým
místem pole právě prochází.
Vysvětlení:
Proměnné elektrické pole má schopnost rozžhavit vlákno žárovky. Proto je
možné dosáhnout emise velkého počtu elektronů, které jsou elektrickým polem
urychlovány a excitují molekuly plynu, který se nachází uvnitř skleněné baňky
žárovky (argon). Pokud srovnáme délku vlákna v žárovce před pokusem a po
něm, zjistíme, že část vlákna se během pokusu vlivem vysoké teploty vypařila.
Žárovku lze pro daný pokus použít opakovaně, před novým pokusem je třeba
žárovku nechat vychladnout.
Poznámka (viz DP):
Pokus se žárovkou je možné modifikovat. Můžeme např. snížit výkon mikrovlnné trouby a umístit žárovku do některé z kmitem, které jsme určili během
předchozích pokusů. Oproti očekávání nebude výboj stále stejně intenzivní.
Dalo by se uvažovat také o možnosti, že výboj nevznikne vůbec, protože trouba
pracuje na menší výkon a intenzita pole bude nedostatečná. Většinou však
pozorujeme, že výboj probíhá nějakou dobu stejně, jako v předchozím případě,
kdy trouba pracovala na plný výkon, ale za chvíli vyhasne. Je to způsobeno tím,
že magnetron se střídavě vypíná a zapíná, tím se reguluje výkon trouby. Nemění se intenzita generovaného vlnění. Pokud máme možnost, použijeme jiný
plyn (např. neon). Pozorujeme výboj odlišného zbarvení.
20
Tuha v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, tuha o délce několik centimetrů (z tužky), modelína
Obr. 12 Uspořádání pokusu s tuhou
(převzato z [4])
Obr. 13 Plazmový výboj – tuha
(převzato z [4])
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Kousek tuhy pomocí
modelíny přilepíme na dno mikrovlnné trouby v místě, kde víme, že se nachází
kmitna (místo s velkou amplitudou intenzity pole). Tuhu přiklopíme skleněnou
nádobou kulového tvaru. Zapneme mikrovlnnou troubu a pozorujeme průběh
pokusu. Vidíme značně intenzivní plazmový výboj vyplňující celý prostor
nádoby. Efekt lze pozorovat relativně dlouhou dobu.
Vysvětlení:
Urychlené elektrony, které se uvolnily z tuhy, ionizují molekuly vzduchu. Navíc v případě skleněné nádoby tvaru koule bylo zjištěno, že plazma, které vzniká, není v přímém kontaktu se sklem. Proto se v tomto případě sklo zahřívá
pomalu (Spherical Pinch effect). Chemicky se jedná o reakci kyslíku a dusíku
za vzniku oxidu dusného a oxidu dusnatého.
Poznámky:
Vzhledem k probíhající reakci pracujte v dobře větrané místnosti.
Uvedená reakce je příklad využití mikrovlnného záření, a to spouštět chemické
reakce, které za normálních podmínek neprobíhají. Obor, který se zabývá touto
oblastí, je tzv. plazmochemie.
21
Hroznové plazma
Během pokusu je možné vytvořit plazma v mikrovlnné troubě pomocí pár kuliček hroznového vína. Tento pokus není vhodné provádět v mikrovlnné troubě,
kterou doma používáme, může dojít k jejímu mechanickému poškození nebo
dokonce k jejímu zničení.
Pomůcky: hroznové víno, nožík
Provedení: K realizaci pokusu potřebujeme čerstvé hroznové víno s vysokým
obsahem vody. Vezmeme si 3 kuličky hroznového vína a rozkrojíme je tak, aby
jejich slupka na jedné straně zůstala nenarušená. Poté je vložíme do mikrovlnné
trouby a zapneme ji na plný výkon. Pozorně pozorujeme pokus již od první
sekundy. Uvidíme žluté jiskření mezi dvěma polovinami hroznů.
Přesun elektrického
proudu
Vysýchání hroznu
Jiskření hroznu
Obr. 14 Hroznový plazmový výboj
Pozor! Po vypnutí mikrovlnné trouby budou hrozny velmi horké, necháme je
tedy na chvíli vychladnout a až poté je z trouby vyndáme. Necháme-li troubu
dlouho běžet, může dojít k jejímu mechanickému poškození. Uvidíme-li
v troubě velké zářící objekty, troubu vypneme.
Vysvětlení:
Mikrovlny, které zahřívají potravinu, vyrábějí mezi půlkami hroznů elektrický
proud, který se přesouvá z jedné půlky do druhé a zpět. Tento proud je soustředěn v kousku slupky mezi dvěma půlkami hroznů, ta se postupně ohřívá, až
vyschne. Proud se pak musí začít pohybovat ve vzduchu, kde vytváří jiskry
(obr. 14).
Hroznové víno má zajímavou strukturu, která je charakteristická zejména tou
vlastností, že šťáva dobře vede elektrický proud. Jak je vidět na obrázcích výše,
22
pokud se půlky hroznů dotýkají, proud prochází místem tohoto dotyku, čímž se
právě toto místo intenzivně zahřívá. Z tohoto místa se uvolňují elektrony, které
jsou urychleny elektrickým polem a poté mohou ionizovat molekuly vzduchu.
Fyzikálně chemický kvantitativní popis přesahuje rámec této publikace a je
velmi složitý.
Obr. 15 Plazma v mikrovlnné troubě
Poznámka
Jiskra je vytvořena odtrháváním elektronů z atomů elektrickým polem. Tyto
elektrony se pak volně pohybují a nesou elektrický proud. Jako plazma je znám
plyn s elektrony a pozitivními ionty. Tato plazma vede elektřinu a může absorbovat mikrovlny. Plazma se někdy stane dostatečně velkou na to, aby absorbovala další mikrovlny k růstu, a to může způsobit drobné popáleniny na horní
straně trouby. Mezi vlastnosti plazmy patří kvazineutralita a kolektivní chování.
Kvazineutralitou zajistíme, aby v látce bylo vždy stejné množství kladných
a záporných částic, tímto se navenek plazma jeví jako nenabitá tekutina. Kolektivním chováním rozumíme, že plazma je schopna jako celek svými projevy
generovat magnetická a elektrická pole a reagovat na ně.
Shrnutí
Pokus není náročný na realizaci, jeho úspěšnost je však ovlivněna řadou faktorů. Důležitá je čerstvost hroznového vína, správné nakrojení a správné umístění
do mikrovlnné trouby. Výboj trvá asi 1 sekundu.
23
Prskavka v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, prskavka, modelína
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř a na dno postavíme
prskavku. Přilepíme ji např. pomocí kousku modelíny. Nastavíme maximální
výkon trouby. Po několika málo sekundách vzniká u špičky prskavky plazmový
výboj, prskavka se zapálí. Troubu vypneme. Prskavka vyhoří.
Drátěnka v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, drátěnka na nádobí
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Do místa, kde se nachází kmitna vlnění, položíme kousek částečně rozpletené drátěnky na nádobí.
Nastavíme maximální výkon trouby. Během 5 sekund lze pozorovat plazmový
výboj. Troubu vypneme. Zkoumáme-li drátěnku, objevíme spálená místa.
Mýdlo v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, mýdlo, Petriho miska
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální
výkon trouby. Na dno trouby do větší Petriho misky, nebo na skleněný talířek
umístíme kousek mýdla. Troubu zapneme a pozorujeme změnu objemu mýdla.
Pokus trvá asi 2 minuty.
Vysvětlení:
Během mikrovlnného ohřevu dochází při zvyšování teploty k měknutí mýdla.
Zahřívá se i voda a vzduch uvnitř mýdla. Voda se vypařuje a plyn se rozpíná.
Objem mýdla se zvětšuje.
Bonbony Marshmallow v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, bonbóny Marshmallow
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální
výkon trouby. Na dno trouby umístíme bonbony. Troubu zapneme. Bonbony se
zvětšují. Proces trvá asi 20 sekund. Troubu vypneme. Po chvíli bonbony zaujmou svůj původní objem. Mění se však jejich struktura.
24
Vejce v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, syrové vejce, kádinky
Provedení: Z mikrovlnné trouby vyjmeme otočný talíř. Nastavíme maximální
výkon trouby.
Na dno trouby položíme syrové vejce. Přikryjeme je skleněnou kádinkou. Krátce po zapnutí trouby dojde k výbuchu vejce.
Vysvětlení:
Obr. 16 Uspořádání pokusu s vejcem
Numerické simulace ukazují, že při
kulovém tvaru se nejvíce absorbují
mikrovlny právě ve středu předmětu.
Síla exploze závisí zejména na geometrickém tvaru a objemu použitého vajíčka. Podle článku M. Vollmer, K-P.
Möllmann, D. Karstädt: More experiments with microwave ovens, in Physics Education 39, str. 346-351, 2004
může být výbuch tak silný, že dokáže
rozbít obě použité sklenice. Může
dokonce dojít k otevření mikrovlnné
trouby. Místo vajíčka lze použít bramboru podobného tvaru, exploze není
tak výrazná.
Rozmrazování v mikrovlnné troubě
Zamyslete se:
Roztaje dané množství ledu v mikrovlnné troubě dříve, než dosáhne stejné
množství vody bodu varu?
Pomůcky: led, voda, 2 sklenice, váhy
Provedení: Připravíme si 2 sklenice. Do jedné z nich dáme pár kostek ledu, do
druhé studenou vodu o stejné hmotnosti jakou má led. Obě sklenice dáme do
mikrovlnné trouby tak, aby byly v symetrické pozici (aby měly stejnou vzdálenost od středu talíře). Zapneme mikrovlnnou troubu a sledujeme, zda
25
v mikrovlnce začne dřív tát led než vřít voda. Ačkoli k tání ledu potřebujeme
zvýšení teploty jen o pár stupňů Celsia, voda skutečně začne vřít dřív.
Vysvětlení:
K dřívějšímu varu vody dochází ze dvou důvodů. První z nich je, že k tání ledu
potřebujeme obrovské množství energie. Touto energií bychom ohřáli vodu
o zhruba 80 °C. Příčinou je uzamčení molekul v ledu silnou vodíkovou vazbou.
Během tání musí dojít k roztrhnutí vazby, což odebírá hodně energie. Druhý
důvod je, že led neabsorbuje mikrovlny stejně jako voda, to znamená, že se
zahřívá pomaleji.
Proč voda absorbuje mikrovlny lépe než led? Mikrovlnná trouba ohřívá vodu
skrze mikrovlny, které jsou vyráběny na pravé straně trouby a jsou vysílány do
hlavního prostoru trouby. Tam se odrážejí a vytváří stojaté vlnění (viz obr. 12).
Ačkoli molekuly vody nemají celkový náboj, jejich atom kyslíku je mírně negativní a atom vodíku mírně pozitivní. V elektrickém poli se atomy začnou
otáčet a přizpůsobí se mu. Pokud elektrické pole bude směřovat směrem nahoru, pak budou kladné vodíkové atomy přitahovány nahoru a záporné atomy
kyslíku budou přitahovány směrem dolů, takže se molekuly otáčejí (obr. 7).
Pokud pole bude směřovat naopak dolů, pak atomy kyslíku se budou snažit
zvrátit jejich směr. Tyto rotace převádí energii do vody a tím ji zahřívají. Ačkoli molekuly ledu, které jsou uzamčeny do krystalové struktury vodíkovými
vazbami, také cítí tyto rotační síly, otáčení by znamenalo porušení vazeb mezi
molekulami. Takže se tyto molekuly jen stěží pohybují a absorbují velmi málo
energie (obr. 17).
Elektrický náboj
molekuly vody
Otáčení molekul
vody
Molekuly ledu v krystalové
struktuře
Obr. 17 Molekuly vody
26
Shrnutí:
Dozvěděli jsme se, proč nerozmrazovat potraviny na plný výkon. Například při
rozmrazování kuřete, některá jeho část rychle roztaje a voda, kterou obsahuje,
bude ve formě kapalné, takže bude absorbovat mikrovlny daleko lépe, než
okolní zmrzlá voda. To znamená, že část našeho kuřete bude plně uvařena,
zatímco zbytek bude vlažný, nebo dokonce pořád zmrzlý. Pokus je nenáročný
na realizaci, lze jej zařadit mezi domácí pokusy.
Nafukovací balónek v mikrovlnné troubě
Pomůcky: mikrovlnná trouba, nafukovací balónek, voda
Provedení: Do balónku napustíme malé množství vody a balónek uzavřeme.
Umístíme jej do mikrovlnné trouby a troubu zapneme. Pozorujeme chování
balónku. Balónek zvětšuje svůj objem a zaplní celý objem varného prostoru.
Troubu vypneme. Po vyjmutí z trouby se balónek po chvíli vrátí do původního
stavu.
Vysvětlení:
Chování balónku je dáno tím, že uvnitř je trochu vody. Voda pohlcuje mikrovlnné záření, zvyšuje svoji teplotu, vypařuje se. Nafukovací balónek je pružný,
zvětšuje svůj objem. Po ochlazení plyn kondenzuje, balónek zmenšuje svůj
objem. Pokus lze provádět jak s otočným talířem, tak i bez něj.
Co nepatří do mikrovlnné trouby?
Do mikrovlnné trouby v žádném případě nepatří smaltované či kovové nádobí.
Mikrovlnná energie se odráží od kovů a potraviny se nemohou stejnoměrně
ohřívat, může docházet k jiskření. Také není vhodné nádobí se zlatým zdobením, broušené sklo či lakované nádobí. I některé plastové nádobí nás
v mikrovlnné troubě může nemile překvapit. Většina výrobců však uvádí,
v jakém rozmezí teplot se dá nádobí bez následku k ohřevu použít. Nádoby
přímo určené pro mikrovlnné trouby se vlivem mikrovln nezahřívají, k jejich
ohřevu dojde pouze při jejich styku s ohřívanou potravinou.
I přes tato úskalí mikrovlnná trouba už snad nechybí v žádné domácnosti. Její
použití zvládne po přečtení návodu každý a při respektování pravidel se nám
a naší mikrovlnné troubě nemůže nic stát.
27
Chladničky a mrazničky
Zamyslete se [1]
1. Z jakého důvodu je v chladničce umístěno chladící zařízení nahoře?
Chladný vzduch klesá dolů, a tím ochlazuje celý prostor lednice. V opačném
případě by byl chladný vzduch pouze v dolní části chladničky.
2. Jaké typy mrazících boxů jsou z ekonomického hlediska výhodnější? Truhlové, nebo skříňové?
Truhlové, neboť při jejich otevření z nich studený vzduch nevytéká.
3. Na jakém fyzikálním principu pracuje chladnička?
Princip je založen na kruhovém ději, který probíhá opačným směrem, než
u tepelných motorů. U tepelných motorů koná práci při expanzi pracovní látka
o vysoké teplotě. Při následné kompresi práci koná vnější síla a pracovní látka
odevzdává teplo do okolí. V chladícím stroji naopak expanduje pracovní látka
o nižší teplotě a odebírá teplo svému chladnému okolí (vnitřní prostor chladničky). Při kompresi koná práci její elektromotor a dochází k odevzdávání tepla
trubkovému systému na zadní stěně chladničky pracovní látkou.
4. Můžeme chladničkou ochlazovat vzduch v místnosti?
Pokud bude chladnička umístěna v místnosti, kterou chceme ochlazovat, tak to
možné není. Dle zákona zachování energie je teplo odevzdané venkovním žebrovím větší než teplo z vnitřního prostoru odebrané o energii, která byla dodána
elektromotoru k chodu ledničky. Pokud do ochlazované místnosti umístíme
pouze vnitřní prostor chladničky a její zadní žebroví umístíme mimo místnost,
chladnička již tento prostor ochlazovat bude.
5. Chceme-li v mrazničce kvalitně zmrazit potraviny, musí zmrazení proběhnout co nejrychleji. Z jakého důvodu?
Pomalé zmrazení způsobuje pomalý nárůst velkých krystalů, jejichž příčinou je
porušení buněčných stěn a při rozmrazování nadměrné uvolňování šťávy. Naopak rychlé zmrazení vede k rychlému nárůstu velkého množství menších krystalů, které už tolik neporušují buněčné stěny.
28
6. Potravinám v mrazničce, které nejsou uzavřeny do neprodyšného sáčku,
hrozí nebezpečí silného vysychání. Proč?
Se snižováním teploty rapidně klesá hustota vodní páry a sublimace ledu zde
probíhá o to intenzivněji.
7. Proč musíme starší chladničky po určité době odmrazovat? Proč to novější
typy nevyžadují?
U starších typů dochází na chladících prvcích ledniček k desublimaci vodních
par, vzniklá vrstva ledu svými účinky zeslabuje přenos tepla z vnitřního prostoru do chladícího média, a tím také zeslabuje chladící účinek. Takto vzniklý led
se odstraňuje roztátím po vypnutí ledničky. U novějších typů ledniček se tvorbě
ledu zabraňuje už za chodu ledničky, například nucenou cirkulací se vzduch
uvnitř ledničky nechává prohánět intenzivně chlazenou destičkou, která z něj
vodní páry vychytává.
Funkce ledničky a mrazničky v domácnosti je jednoznačná. Slouží ke krátkodobému či dlouhodobému uchovávání potravin. V případě krátkodobého uchování využijeme ledničku, v případě dlouhodobého uchování mrazničku.
Historie ledničky
Chlazení potravin má dlouhou historii. Fresky v Egyptě dokládající chlazení
potravin pocházejí z roku 2500 př. n. l. Podle zmínek v čínské literatuře byl
v této době shromažďován led a sníh v jeskyních. Také Římané si chladili nápoje, přičemž led přiváželi z Alp. Později, když se začali stavět pivnice, bylo to
vždy v místech, kde protékala voda. Od středověku byl led ukládán do komor
s potravinami. Tyto komory měly velmi silné zdi a jako izolační materiál byla
používána sláma.
V Americe byl využíván pokles a stoupání chladného a teplého vzduchu. Potraviny byly uloženy v dolní části místnosti, led byl v části horní. Tak mohlo
dojít k přirozenému proudění vzduchu, chladný vzduch odebíral teplo
z uskladněných potravin v dolní části místnosti, ohřál se a stoupal vzhůru. Zde
se ochladil a celý proces se opakoval.
První domácí chladnička byla v podstatě plechová skříň s dvojitými stěnami,
mezi stěny se umístil led, který se přivážel z hor. Led velmi rychle tál a tyto
ledničky se musely plnit prakticky každý den.
29
Ke změně dochází v roce 1607, kdy se L. Trancredus začal zabývat chlazením
nezávislým na přírodě a vyrobil první umělý led. V roce 1755 William Cullen
sestrojil skříňku udržující chlad, vynález, o kterém se však nezachovaly přesnější údaje.
Patent na ledničku byl udělen Francouzi Focard-Chateauovi, který sestrojil
čtyři do sebe vložené skříňky s izolačními vrstvami vyplněnými ledem.
Praktické využití principu chlazení je připisováno až Jacobu Perkinsovi, který
v roce 1834 zjistil, že některé tekutiny se vypařováním ochlazují. Své zařízení
charakterizoval slovy:
„Je to zařízení umožňující použít těkavé látky na chlazení a mražení jiné látky,
přičemž těkavá látka kondenzuje a je možné ji v chladícím okruhu vést dále
beze ztrát.“
Jacob Perkins však nedokázal svůj vynález
ani využít, ani patentovat.
Nezávisle na Perkinsovi objevil chladicí
efekt také skot John Harrison žijící
v Austrálii. Vytvořil projekt, podle kterého
se začaly vyrábět chladničky předváděné na
Mezinárodní výstavě v roce 1862. Ve stejném roce nechal v pivovaru v Bendingu
ve státě Viktoria nainstalovat první chladící
zařízení a zároveň vybavil chladničkami
i prodejny.
První ledničku pro domácnost vyrobil
v r. 1879 německý inženýr Karl von Linde,
když upravil průmyslové chladící zařízení,
Obr. 18 Jakob Perkins
které vyrobil o 6 let dříve. Jako chladící
médium použil čpavek. Rozšíření chladničky pro domácnosti však přinesla až
elektrifikace. Domácí lednička byla na trh poprvé uvedena švédskými inženýry
Balzer von Platenem a Carl Muntersem v r. 1923. Na pohon kompresoru použili elektromotor a svůj model nazvali Electrolux.
Jako chladící směsi bylo třeba použít látku, která má teplotu varu za normálního tlaku podstatně nižší než je pokojová teplota. Jako nejsnadněji dostupný
a proto nejběžněji používaný byl čpavek. S rozvojem výroby byly hledány
účinnější látky a tři velké americké firmy (Frigidaire, General Motors
30
a DuPont) vyvinuly nové chladicí směsi – tzv. freony. Freony patří mezi skleníkové plyny, proto v roce 1995 senát USA výrobu a využití freonů zakázal. Od
tohoto roku se používají náhradní směsi, dražší a méně účinné.
V dnešní době jsou vyráběny chladničky kompresorové nebo absorpční, podle
typu chlazení. Na první pohled je od sebe poznáme, protože kompresorové
ledničky jsou po zapnutí hlučnější než ledničky absorpční, které mají tichý
chod.
Obr. 19 Model ledničky Elektrolux a jeho vynálezci
Princip činnosti chladničky
Základem je chladivo, které musí mít schopnost odpařovat se při nízkém tlaku
a teplotě. Během odpařování odnímá svému okolí teplo. Jeho teplota a tlak se
zvýší a chladivo kondenzuje. Při kapalnění předává svému okolí teplo. Odpařování při nízké teplotě je základem činnosti chladicích zařízení, naopak kondenzace při vyšší teplotě je základem činnosti tepelných čerpadel.
Obr. 20 Chladicí okruh kompresorový (vlevo)
ve srovnání s absorpčním (vpravo)
31
Kompresorová chladnička
Starší typy kompresorových chladniček využívaly chladivo freon R134a. Jak
bylo řečeno výše, freony patří mezi skleníkové plyny a jejich výroba je zakázána. Nyní se používá jako chladivo izobutan R600a.
Obr. 21 Kompresorová chladnička
Princip činnosti: Kompresor nasává páry chladiva z výparníku, stlačuje je
a vhání do kondenzátoru, kde zkapalní. Trubkový rošt kondenzátoru část tepla
vyzáří do okolí. Při průchodu plynného chladiva přes škrtící ventil (Š) dochází
k prudkému snížení tlaku. Plynné chladivo se zde rozpíná na tlak původní,
vypařuje se ve výparníku a teplo k tomu potřebné odebírá z vychlazeného prostoru chladničky, v níž je umístěn.
Absorpční chladnička
Tyto chladničky využívají absorpci, proto nedílnou součástí chladničky je absorbér. Jednotlivé části absorpční chladničky tvoří kondenzátor, absorbér (pohlcovač), výparník a vypuzovač. Chladicí kapalinou u tohoto typu chladniček je
čpavek.
32
Chladicí kapalina se vypařuje ve výparníku, tím odnímá teplo z vychlazovaného prostoru chladničky. V absorbéru dochází k pohlcení par vodou. Při
zahřívání hořákem je plynné chladivo vytěsňováno a dostává se do kondenzátoru jako horký plyn. Teplo uniká chladícími žebry do okolí, dochází ke zkapalnění chladiva. Ochlazování výparníku je zaručeno v neustále se obnovujícím
okruhu, kdy čpavek s pomocí vodního okruhu se znovu vypařuje a zkapalňuje.
V kondenzátoru je tlak plynu téměř čtyřnásobně vyšší, jeho vyrovnání má za
úkol okruh s vodíkem (mezi absorbérem a výparníkem).
Cyklus je tedy stejný, jako u kompresorových chladniček – kompresor je zde
nahrazen absorbérem a výparníkem. Mezi výhody těchto ledniček patří bezhlučný chod, avšak jako velká nevýhoda je zde neschopnost ochlazení vnitřního
prostoru na teplotu tak nízkou jako u kompresorových chladniček, neboť mají
nižší účinnost.
Mrazničky
Mrazničky dělíme na skříňové (zásuvkové) a truhlicové (pultové). Skříňová
mraznička je vhodná pro každou domácnost, která se potřebuje předzásobit
větším množstvím mražených potravin. Její kapacita se pohybuje kolem 100
litrů. Nevýhodou je, že se do ní nevejdou objemnější zásoby. Truhlicová mraznička se hodí pro každou větší domácnost, má kapacitu 100–500 litrů. Její výhodou je jednak nižší cena, také větší úložný prostor a v neposlední řadě nižší
spotřeba, ta souvisí s lepší izolací, neboť studený vzduch, který leží dole, při
otevření téměř neuniká.
33
Papinův tlakový hrnec
Zamyslete se [1]
1. Proč jsou suroviny v Papinově hrnci rychleji uvařeny než v hrnci obyčejném?
Při varu kapaliny v neuzavřené nádobě dochází k intenzivnímu vypařování
kapaliny, tím ztrácí veškerou dodanou energii a její teplota neroste. V uzavřené
nádobě Papinova hrnce je nad hladinou nejenom vzduch, ale také vodní páry,
takže tlak na kapalinu je vyšší než v nádobě otevřené. Suroviny tedy dosáhnou
bez varu vyšší teploty, až k 120 °C.
2. Po ukončení vaření v Papinově hrnci je nutné jej nejdříve zchladit, či pojistným ventilem z něj pomalu odpustit páru a až poté jej otevřít. Proč je nebezpečné otvírat hrnec silou ihned po ukončení vaření?
Už jenom z důvodu vnitřního přetlaku to jde poměrně těžko, ale především by
při snížení tlaku voda začala prudce vřít, dokonce by mohla z hrnce vykypět
a tím nás opařit.
Tlakový hrnec je tlustostěnný hrnec sloužící k vaření potravin při vyšším tlaku,
než je atmosférický. Právě vyšším tlakem se dosáhne vyšší teploty vaření (za
normálního tlaku je bod varu body 100 °C, zatímco u vyššího tlaku je to 120 °C
až 130 °C), a tím i rychlejšího uvaření potravin. Zároveň potraviny vařené
v tlakovém hrnci mají intenzivnější chuť a jsou daleko bohatší na vitamíny.
Historie Papinova hrnce
Historie vzniku Papinova hrnce sahá až do 17. století, jeho princip však zůstává
stále stejný. Dnešní hrnce jsou však zejména mnohem bezpečnější. Papinův
hrnec byl poprvé prezentován v roce 1679, kdy francouzský matematik, fyzik
a také vynálezce Denis Papin představil tlakovou nádobu určenou pro přípravu
potravin. Papin si uvědomil, že stlačená vodní pára se chová jako ostatní stlačené plyny a že by její tlak mohl být při přípravě pokrmu užitečný, protože
s rostoucím tlakem roste i teplota varu, takže úprava pokrmů je mnohem rychlejší a efektivnější. Pro demonstraci sestrojil jednoduchý přístroj, jehož součástí
bylo závaží, které se v závislosti na tlaku pohybovalo nahoru a dolů.
34
Obr. 22 Papinův tlakový hrnec z roku
1890 [22]
Obr. 23 Papinův hrnec
Obr. 24 Současný Papinův hrnec
Obr. 25 Otevřený Papinův hrnec
Původní Papinovy hrnce nedokázaly připravit pokrmy běžné chuti a vůně, byly
nebezpečné, neboť často docházelo k explozím. Až o padesát let později byl
Papinův hrnec doplněn o tlakoměr. Přesto bylo stále vaření nebezpečné a maso
připravené tímto způsobem mělo nevýraznou chuť. Průlom přinesl rok 1927.
Francouz Gautier sestrojil hrnec, který opatřil pojistným ventilem. Pokud se
však ventil zanesl, mohlo i v tomto případě dojít k explozi.
Až v roce 1944 došlo k dalšímu zlepšení. Autory byli bratři Lescureové, kteří
začali vyrábět tlakové hrnce z lisovaného hliníku s otočným ventilem a ještě
dalším bezpečnostním ventilem. Poklička byla zkonstruována tak, že v případě
potřeby se mohla jemně zdeformovat a tím umožnit odvod páry.
V běžném provozu se hliník ukázal jako méně vhodný a byl proto nahrazen
nerezovou ocelí. Oproti hliníku je ocel mnohem horším vodičem tepla než
35
hliník, proto došlo u výrobce ke kompromisnímu řešení – na spodní část tlakového hrnce byla namontována hliníková destička, která vede teplo lépe než
ocel. Další výhodou byla lepší akumulace tepla, takže hliníková destička sloužila také jako zásobárna energie.
Osmdesátá léta 20. století přinesla další zjednodušení, a to postranní uzavírání
spojující víko a stěny tlakového hrnce do jednoho celku. V devadesátých letech
stačil k zavírání hrnce už jen jediný dotek prstem. Zároveň přibyl elektronický
časovač, okénko pro kontrolu pokrmu a trojité dno. V dnešní době se vyvíjejí
Papinovy hrnce s dálkovou kontrolou časovače. Pro ilustraci uvádíme níže graf
závislosti teploty varu vody na tlaku.
Obr. 26 Závislost teploty varu vody na tlaku
Závislost teploty varu vody na tlaku je vyjádřena pomocí rovnice
t  71, 6 
28 p
,
105
kde t je teplota varu v °C, p je tlak v Pa.
U této rovnice jsou odchylky v intervalu (0,9–1,075)∙105 Pa od správné hodnoty menší než 0,1 %.
V současné době je Papinův hrnec navíc vybaven tavnou pojistkou. Kdyby
došlo k selhání pojistného ventilu, umožní únik páry z varného prostoru, a tím
snížení tlaku. Jak již napovídá název, je tavná pojistka vyrobena z tavitelného
kovu a má tvar malého kotoučku, který těsní malý otvor ve víku. Při vysoké
teplotě dojde k roztavení kotoučku a pára tedy může z hrnce volně unikat.
36
Vybrané potraviny v kulinářské fyzice
Vejce a jeho složení
Vejce je rotační těleso oválného tvaru symetrické pouze podle podélné osy.
Jeho zaoblení s nejmenším poloměrem křivosti se také říká špička vejce. Pod
vápnitou skořápkou je blána, která drží pohromadě bílek, v němž je umístěn
žloutek. Žloutek je připevněn k bláně spirálami ze zhuštěného bílku v místech
jejich průsečíku s osou. Poloha žloutku je vždy taková, aby zárodečný terčík
vejce byl nahoře. Na širším konci vejce, kde blána nepřiléhá zcela ke skořápce,
vzniká vzduchová bublina. Její kyslík je nutný pro vývoj kuřete v oplodněném
vejci.
Vejce má v kuchyni nepostradatelný význam. Nenahraditelnou roli hraje při
přípravě drobných svačinek, hlavních pokrmů nebo samostatných jídel. Lze ho
připravovat v mnoha chuťových variacích. Jindy naopak chuťově ani nemusíme
poznat, že v pokrmu, co právě jíme, se vyskytuje. Tvar vejce je elipsoidní,
s jedním koncem tupějším a druhým ostřejším. Povrch skořápky může být
hladký nebo drsný dle způsobu uložení skořápečných vrstev.
Vejce je složeno ze skořápky, bílku a žloutku. Procentuálně můžeme vyjádřit
jednotlivé zastoupení těchto složek takto:
- žloutek – okolo 30 % hmotnosti vejce,
- bílek – až 60 % hmotnosti vejce,
- podskořápečné blány,
- skořápka – 10 % hmotnosti vejce.
Vejce můžeme popsat i jiným způsobem – skládá se ze 75 % vody, 12 % bílkovin, 11,5 % tuku, zbylou část tvoří bílkoviny a minerální látky.
Přesnější popis ptačího vejce uvádí obrázek, který identifikuje 15 částí:
Skořápka
Skořápka tvoří 10 % hmotnosti vejce, z 95 % je tvořena vápníkem. Ve skořápce
se nachází velké množství pórů. Může jich být až 17 000 na jedno vejce. Tyto
póry umožňují výměnu látek mezi vejcem a okolím. Vejce má pod skořápkou
dvě blány, které obsahují vzduchové bubliny. Barva skořápky je především
37
přizpůsobena tak, aby byla chráněna před predátory, je ovlivněna plemennou
příslušností. Především jde o barvu světle hnědou, v méně častých případech
může být bílá, která se vyskytuje zejména u ptáků, kteří žijí v norách nebo
dutinách stromů. Existují i vejce černá (emu), bílá s černými flíčky (ústřičník),
a jiná. Tloušťka skořápky značně souvisí s velikostí vejce. Jde o to, aby unesla
ptáka, který na ní sedí, ale zároveň musí být dostatečně tenká na to, aby se z ní
mohlo líhnoucí ptáče dostat. Pro přísun vzduchu pro vyvíjející se zárodek slouží právě pórovitost skořápky. Jako další zdroj vzduchu slouží vzduchová komůrka, která je umístěna na tupém konci vejce.
Obr. 27 Složení vejce (1 – skořápka, 2 – vnější
papírová blána, 3 – vnitřní papírová blána, 4 –
poutko, 5 – vnější řídký bílek, 6 – hustý bílek, 7
– žloutková blána, 8 – výživný žloutek, 9 –
zárodečný terčík (tvořivý žloutek + zárodek), 10
– tmavý (žlutý) žloutek, 11 – světlý žloutek, 12
– vnitřní řídký bílek, 13 – poutko, 14 – vzduchová komůrka, 15 – kutikula)
Kutikula
Kutikula, nebo také hlenovitý obal, se nachází na povrchu skořápky. Vzniká
cca 10 minut před snesením vejce. Jejím hlavním cílem je usnadnit snesení
vejce díky její kluzkosti. U čerstvě snesených vajec dochází k jejímu okamžitému setření, aby nedošlo k jejímu zaschnutí a následnému ucpání pórů ve
skořápce. Kutikula mimo jiné přispívá také k pevnosti skořápky.
Podskořápečné blány
Funkcí podskořápečných blan je chránit vejce. Rozdělujeme je na vnitřní bílkovou blánu, která přiléhá k bílku, a vnější bílkovou blánu, která přiléhá ke skořápce. Po snesení vejce dochází vlivem snížení teploty k smrsknutí vaječného
obsahu a tyto blanky se od sebe oddělí. Tím vzniká na tupém konci vejce vzduchová komůrka, která se se stárnutím vejce zvětšuje.
Žloutek
Žloutek představuje přibližně 30 % hmotnosti vejce. Obsahuje 50 % vody,
16 % bílkovin 1,7 % minerálních látek, 0,3 % sacharidů a 32 % tuku. Je nezbytný pro výživu zárodku. Má tvar zploštělé koule, jeho průměr se pohybuje
38
okolo 35–40 mm. Na povrchu žloutku se nachází jemná blanka, nazývaná vitelinní membrána, která chrání obsah žloutku před jeho vylitím. Žloutek se skládá
z několika vrstev světlého a tmavého žloutku, ty se pravidelně střídají. Světlý
žloutek obsahuje více vody a bílkovin, naopak tmavý žloutek obsahuje více
lipidů a pigmentu. Světlý žloutek uprostřed vejce vytváří dutinku, kterou označujeme jako latebra, představuje první výživu pro vyvíjející se zárodek. Na
horní části žloutku můžeme pozorovat zárodečný terčík, který je šedobílé barvy
a dosahuje velikosti kolem 2–3 mm.
Vaječný žloutek je zdrojem důležitých vitamínů a minerálů. Žloutek je bohatý
na biotin, vitamíny skupiny B, vitamíny skupiny E, vitamín A a vitamín D.
Z minerálních látek se jedná především o železo, draslík, fosfor, zinek a selen.
Bílek
Bílek představuje přibližně 60 % hmotnosti vejce, z 80 % je tvořen vodou, dále
obsahuje bílkoviny (11 %), sacharidy (0,7 %), minerální látky (0,7 %) a vitamíny (skupiny B). Bílek neobsahuje žádný tuk. Na žloutkovou blánu se těsně
přimyká nejhustší bílek, zvaný také chalázový, který směrem k oběma pólům
vejce vytváří poutka (chalázy), umožňující natáčení zárodečného terčíku
k teplu samice sedící na vejcích. Tato poutka mají ještě další funkci, jde
o udržení žloutku ve středu vejce. Ostatní bílek je ve vnitřní vrstvě řídký
a v povrchové vrstvě hustý. Připojení bílku ke skořápce zajišťují podskořepkové blány vnější a vnitřní.
Skladování vajec
Vejce skladujeme v suchu a chladu. Přenášením vajec z chladu do tepla či naopak dochází k zvlhnutí skořápky a tím se stávají dobrou půdou pro bakterie. Na
krátkou dobu ukládáme vejce do stojánku špičkou dolů, aby mohla dýchat,
občas je však převracíme, aby nedošlo k usazení žloutku na jedné straně. Pokud
chceme vejce skladovat delší dobu, můžeme je naložit. Může to být do vápna,
do vodního skla či jiných konzervačních prostředků.
Vaření vejce a fyzika
Je známo, že při přípravě vajec, jejich vaření, nemusíme vždy dosáhnout dobrého výsledku. V horké vodě se obsah vejce a především vzduch rozpínají,
a tím skořápka praskne a bílek částečně vyteče. Tomuto můžeme předejít. Stačí
do plošší části vejce, tedy tam, kde má vzduchovou bublinu, udělat špendlíkem
dírku. Nebo také můžeme vodu, ve které vejce vaříme, osolit, popřípadě přidat
39
pár kapek octa. Po osolení vody totiž zabraňují větší ionty sodíku a chlóru molekulám vody v jejich pronikání přes obaly dovnitř vejce. Po uvaření se nám
také může stát, že vejce jde špatně oloupat, abychom tomuto předešli, musíme
co nejrychleji po uvaření teplou vodu vyměnit za studenou. Obecně je známo,
že starší vejce jdou loupat lépe než vejce čerstvá.
Jak dlouho vařit vejce? Většina kuchařek uvádí následující: chceme-li vejce
s tekutým žloutkem (vejce naměkko), vaříme jej 2,5–3 minuty; 4–5 minut pro
středně tekutý žloutek (vejce na hniličku) a 7–9 minut pro žloutek pevný (vejce
na tvrdo). Doba vaření se počítá od doby, kdy voda začne opět vřít po vložení
vejce do vody, tedy kdy se ode dna odrazí první velká bublina. V případě, že je
vejce menší, odečteme jednu minutu, v případě, že je větší, naopak jednu minutu přičteme. Pojďme se touhle problematikou zabývat hlouběji. Jaké jsou hlavní
parametry pro správné uvaření vejce? Souvisí doba vaření například s velikostí
vejce, dále s tím, je-li vejce určeno k vaření, je bráno z lednice či z místnosti
o pokojové teplotě, je-li dáno do studené nebo vařící vody…
Stanovení doby vaření vejce z hlediska fyziky
Vzorec pro výpočet doby vaření byl publikován panem doktorem Charlesem D.
H. Williamsem (přednáší fyziku na univerzitě v Exeteru). Vzorec vychází
z jednoduchých veličin:

  0, 451 m2/3 ln 0, 76

t
 tvoda  

 tžloutek  tvoda  
vejce
(tvejce [°C] – počáteční teplota vejce, tvoda [°C] – teplota vody, tžloutek [°C] – požadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 °C a méně, vejce natvrdo 72 °C
a více, převážně 77 °C),  [min] – doba vaření, m [g] – hmotnost vejce)
Pokud neznáme hmotnost vejce a nelze je zvážit, lze využít upravený vzorec od
Petra Barhama. Vzorec pro dobu vaření vejce přejde ve tvar:

  0, 0152 c 2 ln  2

t
voda
 tvoda
 tvejce  

 tžloutek  

(tvejce [°C] – počáteční teplota vejce, tvoda [°C] – teplota vody, tžloutek [°C] – požadovaná teplota žloutku (vejce naměkko 65 °C a méně, vejce natvrdo 72 °C
a více, převážně 77 °C),  [min] – doba vaření, c [cm] – obvod vejce)
40
Jak probíhá proces vaření vejce
Při vaření se nejdříve ohřívají bílkoviny, které se začnou srážet ve vaječný
bílek. Proces srážení bílkovin nastává při teplotě 61,5 °C, v tuto chvíli je bílek
mléčný. Bílek se skládá převážně z bílkoviny albumin (tvoří 54 % bílku), která
se sráží až při teplotě 84,5 °C. Až tehdy se tedy bílek stává tuhým. Během srážení bílku není převedena žádná tepelná energie do žloutku. Tuhnutí bílku se
chová jako tepelný izolant pro žloutek. Ten se začne srážet až tehdy, když je
bílek zcela ztuhlý. Čas, který je potřebný k tomu, aby měl bílek teplotu 80 °C,
je asi 3 minuty. Následuje fáze tuhnutí. Během této fáze zůstává žloutek měkký. Čas, než bílek zcela ztuhne, je 2–3 minuty. V rozmezí 80–90 °C začíná
žloutek hrudkovatět a my dostaneme vejce natvrdo. Tyto změny jsou uvedeny
v následující tabulce:
Tabulka 3: Tuhost vejce v závislosti na teplotě
Teplota [°C]
Bílek
Žloutek
62
Začíná tuhnout, řídký
Tekutý
64
Částečně tuhý
Začíná tuhnout
66
Většinově tuhý
Měkký
70
Částečně pevný, vláčný
Měkký, tužší, voskový
80
Zpevněný
Zpevněný
90
Pružný, pevný
Hrudkovitý
Pozor – teplota varu vody závisí na nadmořské výšce. Při hladině bereme teplotu varu vody jako 100 °C. S rostoucí nadmořskou výškou se teplota varu vody
snižuje, konkrétně o 0,3 °C na každých dalších 100 metrů výšky.
Zamyslete se: Proč je doba varu vejce v sauně mnohonásobně delší než ve vodě
na sporáku?
V sauně je třeba vejce vařit až několik hodin. Je to dáno tím, že vejce je obklopeno vzduchem, který má téměř tisíckrát menší hustotu než voda, a proto je
tepelná výměna ve vzdušném prostředí mnohem menší.
Pomocí následujícího grafu můžeme vyčíst, jak se má vejce dlouho vařit. Zohledňujeme dvě kritéria: obvod vejce a váhu vejce, přičemž pracujeme
s teplotou vody 100 °C a teplotou vejce 4 °C.
41
Obr. 28 Doba vaření vejce v závislosti na obvodu a hmotnosti
Například má-li naše vejce obvod 14 cm a my jej chceme uvařit s naprosto
tekoucím žloutkem (tedy vejce naměkko), vaříme 4 minuty 55 sekund. Budeme-li vycházet z váhy vejce, pak přiměřená doba vaření 65 g vejce bude zhruba
4 minuty 58 sekund.
Na obrázku níže lze vidět, jak průřez vejce vypadá při různých teplotách.
Obr. 29 Řez vejcem při různých teplotách
42
Experimentální část – pokusy s vejci
Je vejce vařené nebo syrové?
Pomůcky: uvařené vejce, syrové vejce
Provedení: Vařené i syrové vejce roztočíme na pevné a vodorovné podložce.
Pozorujeme. Uvařené vejce se při roztočení postaví na špičku a rotuje také
mnohem rychleji.
Vysvětlení:
Vařené vejce je na rozdíl od syrového pevné, jehož části se vůči sobě snadno
pohybují. Proto vařené vejce snadněji roztočíme, dokonce při rychlém roztočení se postaví na špičku. Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než
bílek, se při roztočení vychyluje ze své normální polohy, vejce se stává nestabilní a nemůže se vzpřímit. U syrového vejce je však jedna zvláštnost – když jej
roztočíme, na okamžik zastavíme a zase pustíme, opět se roztočí. Příčinou je
platnost zákona setrvačnosti, žloutek i část bílku se nezastavily a točily se dál
i přesto, že skořápka byla na okamžik v klidu.
Obr. 30 Otáčející se syrové a vařené vejce
Jiná možnost: Roztočených vajec se lehce dotkněte. Vařené vejce se zastaví,
syrové bude pokračovat v pohybu.
Úvaha: Žloutek syrového vejce, který má větší hustotu než bílek, se při roztočení vychyluje ze své normální polohy. Proto je vejce nestabilní a nemůže se
vzpřímit. Při krátkém zabrzdění se bílek a žloutek uvnitř syrového vejce otáčí
dále a přivede vejce opět do rotace. Vařené vejce se chová jako tuhé těleso
a stává se z něj setrvačník. Vzhledem k jeho tvaru je přirozená jeho snaha
vzpřímit se.
43
Vejce na nakloněné rovině
Pomůcky: deska, kolejničky, syrové a vařené vejce
Provedení: Připravíme si nakloněnou rovinu pomocí rovné desky. Na nakloněnou rovinu připevníme kolejničky, aby nám vejce nespadlo. Změříme čas pohybu syrového a vařeného vejce. Zjistíme, že syrové vejce bude dole dříve. Na
nakloněnou rovinu lze připevnit také dvě kolejnice vedle sebe a syrové i vařené
vejce pustit současně. Pozorujeme, které z nich bude na konci nakloněné roviny
dříve.
Vysvětlení:
Tento výsledek je podmíněn stavbou vejce. Obě vejce mají na počátku stejnou
energii. Ve vařeném vejci se část této energie přemění na rotační pohyb, který
konají všechny jeho části. Avšak u syrového vejce rotuje při koulení pouze
vnější vrstva bílku, vnitřek vejce je téměř bez rotace a koná pouze posuvný
pohyb.
Poznámka
Při tomto pokusu bychom měli dbát na to, aby jak syrové, tak vařené vejce byly
stejně velké. Před zahájením pokusu je vhodné se syrovým vejcem zatřepat,
aby se bílek od skořápky uvolnil. Zároveň je pro tento pokus důležité, aby
syrové vejce bylo co nejčerstvější, aby již nepřecházelo do rosolovitého stavu.
Jak poznat čerstvé vejce?
Pomůcky: čerstvé vejce, starší vejce, širší sklenice či kádinka, voda
Obr. 31 Určení stáří vejce
Provedení: Čerstvé a starší vejce vložíme do sklenice s vodou. Pozorujeme.
44
Čerstvé vejce bude ležet vodorovně, zatímco starší vejce bude stát svisle. Zkažené vejce poznáme tak, že jeho část bude vystupovat z hladiny ven. Stáří vejce
jde odhadnout také z úhlu, který svírá podélná osa se dnem nádoby (obr. 31).
Na obr. 32 srovnání polohy vejce starého 3 dny a 22 dnů.
Stáří 3 dny
Stáří 22 dnů
Obr. 32 Srovnání polohy vejce starého 3 a 22 dní
Plavání vajíčka: Archimédův zákon. Využití: třeba hospodyňky podle toho
poznají, zda je vajíčko čerstvé nebo ne. Staré vajíčko je uvnitř vyschlé, pod
skořápkou je vzduch a proto při ponoření do vody plave, kdežto čerstvé vajíčko
klesne na dno.
Vejce v láhvi
Pomůcky: skleněná láhev s širším otvorem, uvařené oloupané vejce, zápalky
Provedení: Zapálíme zápalku a hodíme ji do připravené láhve. Co nejrychleji
na otvor láhve položíme oloupané vejce špičkou dolů, je lepší použít vejce
vařené na hniličku, jsou pak elastičtější. Pozorujeme.
Vysvětlení:
Hořící zápalka ohřívá vzduch v láhvi, dochází k jeho rozpínání a unikání mezi
stěnou láhve a položeným vejcem. Při hoření zápalky vzniká vodní pára a oxid
uhličitý. Při styku vodní páry se stěnou láhve začne pára kondenzovat. Oxid
45
uhličitý se bude rozpouštět ve vzniklé vodě. Po dohoření zápalky se ochladí
zbylý vzduch v láhvi, vznikne podtlak a vejce je vtaženo do láhve.
Průměr otvoru skleněné láhve by se měl pohybovat okolo 2/3 průměru vejce.
Vajíčko můžeme dostat lehce zpátky, když láhev otočíme dnem vzhůru
a zprudka do ní foukneme. Když potom ústa oddálíme, vajíčko vypadne. Vytlačí ho ven větší tlak vzduchu uvnitř láhve.
Vejce jako nosníky
Pomůcky: 3 syrová vejce, deska, plato od vajec, nůžky, případně sádra
Provedení: Z plata vystřihneme tři jamky pro vajíčka, která do nich vložíme.
Takto připravená vajíčka rozmístíme do trojúhelníku a položíme na ně desku
tak, aby ležela na všech třech vejcích rovnoměrně. Postupně na desku dáváme
knihy a sledujeme, kolik jich vejce udrží.
Vysvětlení:
Hmotnost knih se rozloží pomocí desky na celou její plochu, tím se rozloží
i tlak na jednotlivá vejce. Tlaková síla působící na oblý tvar každého z vajec se
rovnoměrně rozkládá po celém jeho povrchu.
Pokud chceme zvýšit nosnost vajec, tak každé z nich obtiskneme z 1/3 do sádry, poté vejce vyndáme a sádru necháme ztuhnout. Tyto stojánky zajistí rovnoměrné rozložení tlaku. Po ztuhnutí sádry položíme vejce zpět do stojánku
a rozmístíme je do trojúhelníku. Položíme na ně desku a opatrně se na ni postavíme. Výsledek pokusu je ovlivněn hmotností člověka a kvalitou vajec. Zjistíme, že při takto provedeném pokusu vejce udrží člověka vážícího až 90 kg.
Vejce musí být stejně velká, aby byl tlak rozložen rovnoměrně, kdyby jedno
bylo větší, prasklo by a celý pokus by skončil neúspěchem.
Denaturace bílkovin
Pomůcky: pánev, hrníček, 96 % líh, vejce
Provedení: Pánev položíme na stůl a nalijeme do ní líh. Do hrníčku rozklepneme vejce, které poté přidáme k lihu. Pozorujeme.
Během prvních několika minut můžeme vidět, že vejce mění barvu na obvodu –
je bílé. Když se na vejce podíváme za několik hodin, je vidět, že bílek vypadá
jako tepelně zpracovaný.
46
Vysvětlení:
Příčinou této změny je děj nazývaný denaturace, během kterého dochází ke
změnám struktury bílkovin a ty ztrácejí svou biologickou aktivitu. Jak již víme,
hlavní částí bílku jsou právě bílkoviny. Proteinové řetězce v bílku jsou zamotány do klubíček. Jedná se tzv. globulární bílkoviny. Když smažíme nebo vaříme
vejce, teplo způsobí, že tyto proteinové řetězce se rozbalují a postupně se vážou
vzájemně na sebe. Denaturace může probíhat i dalšími způsoby, například již
uvedeným smažením či vařením, šleháním bílků, pomocí chemických látek
jako je alkohol, sůl, aceton a podobně.
Rychlost denaturace v experimentu závisí na množství alkoholu. Pokud vejce
navíc ještě promícháme, denaturace probíhá rychleji v celém objemu.
Rozpouštění skořápky (dlouhodobý pokus)
Pomůcky: jedno bílé syrové slepičí vejce, ocet, zavařovací sklenice
Provedení: Vajíčko dáme do sklenice a zalijeme je octem. Druhý den ocet vyměníme. Na vejce se nedíváme potom alespoň týden (někdy to ale trvá déle).
Po této době by vajíčko mělo být čisté, ale bude mít stále svůj tvar. Ocet rozpustí skořápku, ale membránu nechá neporušenou.
Když tento pokus provedeme s uvařeným vajíčkem, skořápka se rozpustí úplně
stejně, ale zůstane nám gumové vajíčko, které může skutečně skákat (když ho
ale nehodíme z moc veliké výšky).
Pro pobavení je možné zkusit v octu stejným způsobem rozmočit kuřecí kůstku.
Když použijeme čerstvou, mělo by se nám podařit ji ohnout a dokonce na ní
udělat uzel.
Vznášející se vejce
Pomůcky: syrové vejce, sklenice, sůl
Provedení: Syrové vajíčko se může vznášet ve velmi slané vodě. Když dokážeme nalít do půlky sklenice slanou vodu a sklenici doplnit čerstvou vodou,
aniž by se smíchaly (je lepší lít tu čerstvou po lžičkách po stěnách sklenice),
mělo by se vám pak podařit opatrně ponořit vajíčko do sklenice mezi obě vrstvy. Pokus je velmi efektní, zejména pokud žáci nevědí, jak je pokus realizován.
Je také možné namíchat roztok slané vody (metodou pokus omyl), který ukáže
přesnou váhu vajíčka. Vajíčko se bude vznášet v kterékoli vrstvě, do které ho
47
ve sklenici umístíme. Když pak přidáme jen malé množství soli, vznese se až
na hladinu. Když naopak přidáme trochu čerstvé vody, zase se ponoří.
Ekvilibristika s vejci
Pomůcky: uvařené vejce, sůl
Provedení: Jestliže budeme hodně opatrní a máme pevnou ruku, můžeme postavit uvařené vajíčko na špičku. Každé vejce se dá vyvážit na svém širším
konci, což je jednodušší. Postavit vejce na špičku tenčí můžeme provést jednoduše tak, když si předem na stole připravíme malou hromádku ze soli a na ní
vajíčko vyvážíme. Potom jemně sůl odfoukneme pryč. Několik zrnek, která ve
skutečnosti drží vajíčko, zůstanou pod ním. Vejce tato zrnka schová a my vidíme, že vejce stojí samo. Tento trik je znám jako Kolumbovo vejce.
Tajné zprávy na vajíčkách
Pomůcky: vajíčko natvrdo, octan, ocet, párátko
Provedení: Uvaříme vajíčko, asi po dobu 5 minut. Necháme je vychladnout.
Mezitím si rozpustíme tolik octanu, kolik jen bude možné ve lžičce octa. Octan
můžeme koupit například v lékárně. Potom tento roztok použijeme pro napsání
tajné zprávy na skořápku vajíčka pomocí párátka. Jakmile vejce uschne, vypadá
zcela nedotčeně. Když ale potom skořápku oloupeme, stane se písmo viditelným na povrchu vajíčka.
Poznámka: Hliníkové sloučeniny jsou v dnešní době spojovány s Alzheimerovou nemocí, proto takto popsaná vajíčka nejsou vhodná ke konzumaci.
Trik se stříbrným vajíčkem
Pomůcky: bílé slepičí vejce, svíčka, miska, voda
Provedení: Pro tento pokus budeme potřebovat jedno bílé slepičí vejce (skořápka musí být suchá). Podržíme vajíčko nad plamenem svíčky, aby se pokrylo
sazemi. Je nutné, aby jimi bylo pokryto úplně celé. Když bude vajíčko jen trochu vlhké, tak saze snadno zůstanou na našich prstech místo na vajíčku, když
s ním budeme v prstech pohybovat. Dejte pozor, ať se nepopálíte! Jakmile je
vajíčko pěkně pokryto černými sazemi, jemně je ponoříme do misky s vodou.
Pozorujte. Vajíčko je stříbrné.
48
Vysvětlení:
Pokud je vejce sazemi pokryto celé, uhlík obsažený v sazích odpuzuje vodu
a zadržuje tak jemný film vzduchu. Ten pak vajíčku dodává stříbrně zrcadlový
vzhled.
Prázdné skořápky
Pomůcky: půlskořápky, rovná podložka, kniha nebo deska, závaží
Provedení: Pokuste se rozbít dvě syrová vajíčka tak, aby se skořápky přibližně
rozpůlily. Tyto čtyři půlskořápky vypláchněte a nechte je vyschnout. Jejich tvar
můžete doupravit nůžkami. Měly by mít všechny stejnou výšku, když je postavíte otevřenou stranou na stůl. Potom na ně opatrně postavte velkou knihu.
Mělo by se vám podařit přidat na ni ještě několik knih, než skořápky překročí
svůj „limit“ a prasknou.
Nakřáplé vejce
Pomůcky: syrové vejce, hladká deska (stůl)
Motivační otázka: Jak poznáme, že je ve skořápce vejce trhlina, i když ji neobjevíme očima?
Provedení: Poklepávejte vejcem v různých místech jeho povrchu na hladkou
desku. Nebo poklepávejte dvěma vejci vzájemně, když je držíte a otáčíte
v rukou. I neviditelnou trhlinu poznáte bezpečně změnou zvuku.
Poznámka: Provádějte pokusy pouze s vejci, která mají skutečně neporušenou
skořápku.
Vejce na moři
Pro zajímavost jedna otázka a úvaha doslovně převzatá z díla, které již před
více než třemi sty lety chtělo dělat přírodovědu zajímavou: M. Gottfried Voigt:
Physikalischer Zeit-Vertreiber. Nakl. Ch. Scheippeln, Gustrow 1670.
Překlad:
„Otázka: Proč klesají vejce ve studniční vodě nebo v jiné sladké vodě dolů, na
mořské vodě však plavou?
Úvaha: Vždycky je jedna voda čistější a průhlednější než druhá. Nečistota však
pochází od atomů různých těles, která se v ní nalézají. A když se ty shromáždí
ve velkém množství a spojí se s vodou, dělají vodu stále hustší a těžší. Proto je
49
mořská voda nejhustší a nejtěžší, vzhledem k hrubé, slané matérii, která v ní je.
A právě proto na ní vejce plavou, i když naopak ve sladké vodě klesají.“
Provedení: Snadno předvedeme příslušný pokus pro vejce padající, vznášející
se a plovoucí při vhodných koncentracích slaného roztoku. Při příslušné úvaze
používáme Archimédův zákon.
Dodatečná otázka: Můžeme padající vejce zastavit kdekoliv mezi hladinou
vody a dnem nádoby?
Pokus: Nádobu naplníme roztokem soli a na něj opatrně nalijeme vodu. Vejce
se na rozhraní zastaví.
Pevné vejce
Otázka: Kdo rozmáčkne syrové vejce v hrsti?
Pomůcky: syrové vejce, mikrotenový sáček
Provedení: Vezměte nepoškozené syrové vejce do dlaně a ruku vložte do igelitového sáčku. Zkuste vejce rozmáčknout. Je to velmi obtížné, většinou se to
nepodaří.
Vysvětlení:
Při tvaru vejce se působící síla rozkládá rovnoměrně na celý jeho povrch. Situaci lze srovnat s rozložením síly na nosném oblouku budov. Vejce je chráněno
před vnějšími vlivy a před tlakem kvočny.
Zamyslete se: Jak se však může slabé kuřátko po 21 dnech vývoje samo vyklubat?
Nosný oblouk odolává i velkým silám
působícím z vnějšku. Pokud bychom však
na něj působili silou zevnitř, mnoho by
nevydržel.
Obr. 33 Nosný oblouk a skořápka
Ověření pokusem: Klepejte prázdnou
vaječnou skořápkou na hlavičku hřebíku,
nejdříve zvenčí. Skořápka je překvapivě
pevná, přesto, že je tak tenká. Když však jí
klepneme stejným způsobem zevnitř,
rychle se rozbije. Stačí k tomu i malý
kuřecí zobáček. Vejce je malý div přírody.
50
Náraz dvou vajec
Pomůcky: vejce, dlouhé vlákno
Otázka: Rozbijí se obě syrová vejce při vzájemném nárazu?
Provedení: Vejce zavěsíme na dlouhá vlákna, která upevníme v jednom bodě.
Vejce oddálíme a pustíme. Pozorujeme. Rozbije se vždy pouze jedno vejce.
Vysvětlení:
Skořápka vejce není ve všech místech stejně silná. Proto povolí to vejce, které
bylo v místě nárazu slabší.
Bílek není voda
Pomůcky: sklenice, voda, bílek, rotační deska
Otázka: Jak se při roztočení změní povrch vody ve sklenici a jak se změní povrch bílku? Pozorujeme, že hladina vody se zvedá u vnitřní stěny sklenice.
Stejný efekt můžeme pozorovat, jestliže sklenice zůstane v klidu a v její ose
držíme ve vodě rotující tyč.
Provedení: Postavíme sklenici vody doprostřed rotující desky. Nyní dáme do
sklenice bílek. Na roztočené desce se bílek chová obdobně jako voda. Pokud
realizujeme druhou variantu pokusu, zjistíme, že bílek bude stoupat vzhůru
podél tyče.
Vysvětlení:
Na bílek také jistě působí odstředivá síla rotující tyče. Nějaká větší síla však jej
vtáhne na tyč. Bílek je viskózně elastická kapalina, jejíž vrstvy se při pohybu
vzájemně posouvají. Při rotaci vznikají v různých vrstvách napětí na obvodu
kruhové dráhy. Jimi je kapalina přitahována do středu. Tyto síly nevznikají
v normálních Newtonovských kapalinách. Bílek není voda.
Létající vejce
Pomůcky: vejce, dvě štíhlé sklenice
Otázka: Umíte přenést vejce z jedné skleničky do druhé, aniž byste se jej dotkli?
Provedení: Na rovnou podložku postavíme vedle sebe dvě stejné štíhlé skleničky na sekt a do jedné z nich položíme špičkou dolů vejce. Foukáme-li přímo
shora na vejce, vejce se zvedne a překlopí se do prázdné skleničky.
51
Poznámky: Je třeba foukat silně a krátce. Pro zacvičení je možno malou dírkou
vysát asi třetinu vejce. Pro překlopení vejce změňte trochu směr foukání.
Vysvětlení:
Vzduch vniká kolem vejce do skleničky, kde vznikne přetlak. Vzduchový polštář zvedne vejce. Pro pokus je důležitý právě tvar vejce, po jehož povrchu
vzduch proudí.
Vejce do skla
Pomůcky: destička, vejce, sklenice
Otázka: Na sklenici leží hladká destička a na ní vejce. Jak je dostaneme do
sklenice, aniž bychom se jej dotkli?
Provedení: Skleničku postavíme na rovnou podložku. Překryjeme ji destičkou
a položíme na ni vejce. Potom destičkou rychle trhneme a vejce spadne do
sklenice.
Poznámky: Totéž můžeme udělat i s více vejci (např. šesti). Musíme je však na
destičku položit v ochranných papírových manžetách.
Sázené vejce na létající pánvi
Pomůcky: měděné cívky, vejce, hliníková deska
Otázka: Můžeme usmažit sázené vejce na pánvi, kterou nedáme na plotnu?
Provedení: Na měděné cívky položíme hliníkovou desku nebo pánev bez držadla. Protéká-li cívkami proud (dost velký), začne se pánev vznášet. Je-li v ní
syrové vejce bez skořápky, usmaží se.
Výstřel na vejce
Pomůcky: vzduchovka, vařené vejce, syrové vejce
Otázka: Vystřelíme vzduchovkou na vařené a na syrové vejce. Jak budou po
střelbě vypadat?
Provedení: Opatrně z bezpečné vzdálenosti vystřelíme na vejce vařené
a syrové. Vařené vejce bude nábojem vzduchovky provrtáno. Syrové vejce se
rozletí na všechny strany.
52
Vysvětlení:
Chování vajec po zásahu výstřelem lze vysvětlit na základě stlačitelnosti
a šíření tlaku v kapalinách a pevných látkách.
Ve třídě nutno zajistit bezpečnost žáků i učitele!
Vybuchlé vejce
Pomůcky: kyselina octová, vejce, sklenice, roztok soli
Otázka: Může se vejce zvětšovat nebo zmenšovat?
Provedení: Vejce vložíme na několik dnů do kyseliny octové. Pomocí kyseliny
octové sloupneme opatrně ze syrového vejce vápnitou skořápku. Vejce pak drží
pohromadě pouze tenká blána. Když takové vejce vložíme do vody, bude se
zvětšovat a během několika hodin praskne. Vložíme-li podobně připravené
vejce do roztoku soli, bude se smrskávat.
Vysvětlení:
Vejce obsahuje velké množství vody, dále soli a mnoho dalších látek. Blána
vejce je propustná jen pro molekuly vody, ale ne pro částice soli. Z okolní vody
pronikají molekuly do vejce, které se zvětšuje. Při vložení vejce do slané vody,
je koncentrace soli vně větší a molekuly vody putují opačným směrem. Vejce
se smrskává. Jde o snahu vyrovnat koncentraci soli, osmózu.
Vejce jako nosníky
Pomůcky: tři syrová vejce, desky
Otázka: Unesou tři syrová vejce člověka?
Provedení: Opatrně uložíme vejce mezi vrcholy dvou trojúhelníkových desek.
Dbáme, abychom se do sestavy zbytečně nedotkli, a opatrně na desky necháme
stoupnout studenta. Při dostatečně opatrném vstupu na horní desku může na
vejcích stát dospělý muž.
Poznámka: Pod člověkem vážícím 90 kg se vejce po určité době přece jenom
rozbijí.
Vysvětlení:
Jev si můžeme vysvětlit na základě výsledků pokusů s pevností vajec, popsaných výše.
53
Poslušná a neposlušná vajíčka
Pomůcky: vyfouknutá vajíčka, svíčka, diabolky, izolepa, suchý písek
Provedení: U poslušného vejce jeden otvor vyschlého vyfouknutého vajíčka
zalepíme kouskem izolepy, potom do skořápky nasypeme asi do čtvrtiny suchý
písek a zalepíme druhý otvor. Poslušné vajíčko můžeme teď postavit do libovolné polohy, někdy je třeba trochu jím zatřepat a dát do pozice, do které ho
chceme postavit. U neposlušného vajíčka nasypeme do skořápky diabolky (asi
do jedné čtvrtiny), které zakapeme otvorem ve vajíčku voskem ze svíčky (nebo
dáme kousky vosku a zahřejeme), necháme vychladnout ve „stojací“ poloze,
diabolky se pomocí vosku slepí a navíc se přilepí ke skořápce.
Vysvětlení:
Normální vajíčko nemůžeme postavit na žádný jeho konec, jelikož má těžiště
uprostřed. U poslušného vajíčka jsme těžiště snížili, tím je poloha vajíčka stabilnější, a proto ho můžeme postavit i na špičku a polohu můžeme měnit.
U neposlušného vajíčka je těžiště stálé a nemůžeme jej tedy ani položit a ani
postavit na opačný konec, protože má stálé těžiště a vrátí se vždy do původní
polohy.
Tančící vajíčko
Pomůcky: vyfouknuté vajíčko, malé hřebíčky, izolepa, magnet
Provedení: Do vyfouknutého vajíčka nasypeme malé hřebíčky nebo nějaký
železný drobný odpad z dílny asi do jedné čtvrtiny tak, aby se mohlo na jeden
konec postavit. Zalepíme obě dírky. Vajíčko roztančíme pomocí magnetu.
Vysvětlení:
Magnetická síla působí na železné hřebíčky, můžeme pohybovat magnetem
i nad vajíčkem či pod podložkou.
Smažené vajíčko „volské oko“ v papírové pánvi
Pomůcky: vajíčko, trochu stolního oleje, malý propanbutanový vařič, kancelářský papír A4, 4 kancelářské sponky, 2 dřevěné kolíčky na prádlo, zápalky,
hrníček, štěteček
Provedení: Z papíru A4 vystřihneme čtverec o straně 18–20 cm a složíme z něj
tradičním způsobem krabičku s okrajem asi 2–3 cm, kterou v rozích zpevníme
kancelářskými sponkami. Do protějších rohů ve zpevněných místech dáme
54
2 dřevěné kolíčky na prádlo. Zapálíme vařič a upravíme na malý plamen. Dno
papírové krabičky natřeme stolním olejem. Vajíčko rozbijeme do hrníčku
a nalijeme ho do papírové pánvičky. Papírovou pánvičku držíme za kolíčky
několik centimetrů nad plamenem. Pánvičkou lehce pohybujeme nad plamenem. Na částech papíru, které jsou nad plamenem, musí být vajíčko. Toto je
nejobtížnější fáze pokusu, protože pánev se prohýbá.
Vysvětlení:
Je podobné jako v předcházejících pokusech. Žloutek a bílek totiž obsahují
vodu. Voda odvádí teplo a papír se nemůže zahřát na potřebnou zápalnou teplotu.
Největší slepičí vejce na světě váží 169 gramů. Toto vejce, které snesla slepice
v německém Langwege, je asi trojnásobně větší než běžné vejce.
Umíme odpovědět
Voda a sůl
Každá hospodyňka ví, že když posolí suchou nakrájenou zeleninu nebo maso,
po chvíli se ze zrnek soli stanou malé kapičky vody. Může za to tzv. osmóza –
jev, který hraje klíčovou roli v mnoha přírodních procesech i v našem těle. Při
něm molekuly vody pronikají tenkou membránou (např. buněčnou stěnou)
z míst, kde je menší koncentrace rozpuštěných látek (solí, bílkovin apod.), do
míst, kde je větší. Voda z buněk zeleniny je tak „vysávána“ do míst, kde je sůl,
a zde se vytvoří kapky slaného roztoku. Když ponoříme starý svrasklý párek do
teplé vody, po čase se nafoukne, protože díky osmóze se do slaného párku
nasaje voda.
Mastná oka na gulášové polévce
Jistě jste si všimli, že mastná oka na gulášové polévce jsou tmavě červená –
mnohem více zabarvená než okolní polévka. Je to tím, že červené barvivo obsažené v paprice je dobře rozpustné v tucích, ale jen málo ve vodě (patří mezi
tzv. lipochromy). To souvisí s uhlovodíkovými řetězci molekul barviva, které
se přitahují s podobnými řetězci v molekulách tuku. Při vaření guláše se proto
většina barviva rozpustí v přítomném tuku a do vody jej přejde jen nepatrná
část. I některé vitamíny – jako např. A, D, E – jsou rozpustné v tucích a ne ve
vodě. Proto jsou v kapslích z lékárny rozpuštěny v olivovém oleji.
55
Proč je potřeba knedlíky po vytažení z vroucí vody propíchat?
Kdybychom to neudělali, knedlík by se „zdrcl“, protože plyn obsažený v jeho
dutinách se ochlazením smršťuje a s ním by se smrštil i knedlík. Když ho ale
propícháme, může se při chladnutí dovnitř dostávat vzduch z okolí. Vzduch pak
postupně vyplní dutiny, ty se nezmenší a knedlík zůstane pěkně kyprý. A jaký
plyn v dutinách je? Je to oxid uhličitý vzniklý během kynutí působením kvasnic
na mouku a cukr.
Proč prská voda na žhavém oleji?
Rozpálený olej na pánvi má teplotu výrazně vyšší, než je teplota varu vody.
Voda v kontaktu s ním proto okamžitě prudce vyvře a rozprašuje do vzduchu
žhavé kapičky oleje. Při nalití vody do silnější vrstvy žhavého oleje tak můžeme nejen vytvořit olejový gejzír, ale také si způsobit popáleniny. Z podobného
důvodu není moudré hasit hořící olej nebo naftu vodou. Voda kápnutá na silně
rozpálenou plotnu se chová jinak. Zde kapky mohou vydržet překvapivě dlouho, protože vodní pára, která z nich působením tepla uniká, je nadnáší a tím jim
brání v kontaktu s plotnou. Díky tomuto jevu, který se odborně nazývá Leidenfrostův, pak kapičky nevyvřou hned, ale postupně se vypařují, a přitom po
plotně mohou i pěkně tancovat.
Proč nám čaj v termosce vydrží dlouho horký?
Stěny termosky jsou dvojité a z prostoru mezi nimi je vyčerpán vzduch. Teplo
proto nemůže vedením přecházet mezi oběma stěnami a zůstává dlouho uvnitř
termosky. Vedení ale není jediný způsob, jak teplo předávat. Všechna tělesa
s teplotou vyšší než absolutní nula (–273,15 °C) vyzařují elektromagnetické
vlny, které přenášejí energii a šíří se i vakuem. A to je hlavní důvod, proč nám
i v termosce čaj po nějaké době vychladne.
Zvuk při vaření vody
Určitě jste si někdy všimli, že při vaření vody v hrnci nebo v konvici se chvíli
před tím, než je voda uvedena do varu, začne ozývat šumivý až hučivý zvuk,
který postupně zesiluje. Když pak voda začne vřít, zvuk zeslábne. Jak hučení
vzniká? Ještě předtím, než voda v celém objemu nádoby dosáhne teploty varu,
má už dno nádoby, kterou zahříváme, dostatečnou teplotu na to, aby vodu odpařovalo. Na dně tak vznikají malé bublinky páry, které se zvětšují. Tím se ale
dostávají do kontaktu s vodou dále ode dna, která teplotu varu ještě nemá. Bublinky se od této vody ochladí, pára v nich zkondenzuje a bublinky se prudce
56
smrští. Vzniklý rychlý pohyb se přenese na okolní vodu i vzduch a vytvoří
zvuk, který slyšíme. Když pak voda dosáhne teploty varu, bublinky se neochlazují, a tedy ani nesmršťují, zvuk utichne a my slyšíme už jen tišší šumění praskajících bublin páry na hladině.
Proč šustí sáček
V kuchyni můžeme slyšet i další zajímavý zvuk – šustění plastového sáčku
nebo alobalu. Odpověď na to, jak takové šustění vzniká, nám dá víčko od marmelády nebo kojenecké výživy. Když na víčko zatlačíme palcem, ozve se
lupnutí. Tlakem se totiž narušila stabilita polohy, ve které původně bylo,
a víčko přeskočilo do nové rovnovážné polohy. Pohyb víčka se pak přenesl i na
okolní vzduch za vzniku cvaknutí. Totéž se děje, když deformujeme mikrotenovou nebo hliníkovou fólii. Na fólii je mnoho malých plošek, které při deformaci přeskakují do nových rovnovážných poloh. Přeskoky jsou velice rychlé
a při každém z nich se ozve lupnutí. Spousta lupnutí rychle po sobě pak vytváří
šustivý zvuk. Dobře je to vidět na kusu alobalu, který pomalu deformujeme
a pozorně sledujeme plošky na něm. Snadno uvidíme jednotlivé přeskoky plošek a současně uslyšíme jejich lupnutí. Pokud je ale alobal příliš zprohýbaný,
plošky už nepřeskakují a on nešustí.
Smažená zmrzlina
Pomůcky: 2 vejce, 4 lžíce Solamylu, asi 250–300 ml zmrzliny, 250 g oleje nebo
ztuženého tuku, 150 g kokosu (jemněji strouhaného), malé kovové sítko, malý
vyšší hrnec, polévková lžíce, miska, vidlička
Obr. 34 Smažená zmrzlina
Provedení: Vejce ušleháme se škrobem pomocí vidličky. Ze zmrzliny
(z mrazničky) vykrojíme lžící kus zmrzliny. Obalíme ho ve vajíčku se škrobem,
v kokosu, znovu ve vajíčku a v kokosu. Tímto způsobem obalíme všechny
57
kousky zmrzliny a dáme je na chvíli do mrazničky. Při obalování pracujeme
pečlivě, aby nebyla na zmrzlině žádná místa bez těstíčka.
Do malého vyššího hrnce dáme olej nebo ztužený tuk. Kousek obalené zmrzliny položíme do malého sítka a rychle ponoříme do rozpáleného oleje. Smažíme
krátce do zežloutnutí. Smaženou zmrzlinu vyklopíme na talířek. Můžeme
ozdobit šlehačkou, ovocem či čokoládou a hned podáváme.
Vysvětlení:
Zmrzlina neroztála. Obal z těstíčka tvořeného vajíčkem se škrobem a kokosem
po vložení do rozpáleného tuku vytvoří tuhou vrstvu, která je tepelným izolantem.
Zeleninová chuťovka vařená v nafukovacím balónku
Pomůcky: kousek cukety, papriky, rajčete, brambor, sůl, česnek, voda, malý
propanbutanový vařič, nafukovací balónek, provázek, dlouhé nůžky nebo kleště
Provedení: Cuketu, brambory a rajče oloupeme. Všechny potraviny nakrájíme
na kostečky o velikosti asi 0,5 cm a nasypeme do balónku. Přidáme trochu soli
a česneku a nakonec vodu. Balónek nahoře zavážeme a uděláme smyčku. Předtím se však ujistíme, že v balónku nezůstal vzduch a že voda je na všech místech, kde se bude plamen dotýkat balónku.
Zapálíme kahan (plamen mírný). Balónek držíme nad plamenem ve výšce několik centimetrů. Voda v balónku se bude pomalu zahřívat, balónek se bude
nafukovat. Snažíme se, aby voda nebyla úplně vařící, ale jen horká, proto míček vždy na chvíli dáme mimo plamen. Po 5–10 minutách budou potraviny
měkké. Balónek položíme na talíř, necháme trochu vychladnout a pak ho roz58
střihneme. Uvařenou chuťovku vysypeme na malý talířek a můžeme přizdobit
krájenou bazalkou.
Obr. 35 Zeleninová chuťovka
Do zeleninové směsi můžeme přidat i nadrobno nakrájenou uzeninu.
Vysvětlení:
Voda je lepší vodič tepla než vzduch. Odvádí teplo a zahřívá se k teplotě varu,
která je nižší než zápalná teplota nafukovacího balónku. Při varu vody zůstává
teplota vody i v okolí balónku stálá. Dodáváním tepla se voda vypařuje. Teprve, až by se voda vypařila, zvýšila by se rychle teplota balónku, který by se
začal seškvařovat.
Obr. 36 Smažené vajíčko
Želatinová optika
Pomůcky: 2–3 balíčky želatiny (nejlépe plátkové), voda, hrníček, plech, ostrý
nůž, laserové ukazovátko, vařič
Provedení: Želatinu uděláme podle návodu, použijeme však menší množství
vody (asi 2/3 doporučeného množství), aby byla želatina tužší. Tekutou želati59
nu nalijeme na plech a necháme v chladnu ztuhnout. Plech předtím vypláchneme studenou vodou.
Ztuhlou želatinu vyklopíme na prkénko a vykrajujeme z ní různé tvary optických těles (spojku, rozptylku, různé hranoly, model optického vlákna, ...). Pak
sledujeme průchod laserového paprsku přes tato tělesa. Laserovým ukazovátkem měníme úhel dopadu paprsku. Můžeme tak demonstrovat průchod světla
optickým prostředím, odraz světla, lom světla, úplný odraz světla.
Obr. 37 Želatinová optika
Vysvětlení:
Ztuhlá želatina je čiré optické prostředí, kterým laserový paprsek prochází. Na
rozhraní 2 optických prostředí vzduch – želatina pak dochází podobně jako
u rozhraní vzduch – sklo k lomu paprsku. Část světla se i odráží.
Poznámka: Použitá optická tělesa můžeme opatrně rozpustit v trošce horké
vody a znovu nechat ztuhnout pro další použití.
60
Pokusy s ostatními pomůckami
Všechny pomůcky k pokusům uvedeným v této kapitole určitě najdeme
v kuchyni. Pokusy jsou jednoduché a realizovat je můžeme bez problémů doma.
Voda v papírové pánvi
Pomůcky: voda, papír, kancelářské sponky, oheň (svíčky, sporák), stojan
Provedení: Z obyčejného kancelářského papíru si uděláme papírovou misku.
Nejlépe je misku poskládat tak, aby se nemusela použít izolepa ani samolepka.
Z papíru vystřihneme obdélník o rozměrech 8×7 cm a klasickým způsobem
z něj složíme krabičku s okrajem 2 cm, kterou v rozích zpevníme obyčejnými
kancelářskými sponkami. Do vytvořené misky nalijeme vodu, která by neměla
být až po okraj. Misku postavíme na stojan a pod něj umístíme hořák. Voda
v naší misce začne pomalu vřít, aniž by došlo ke spálení papíru.
Vysvětlení:
Proč nedojde ke spálení papíru a jak to, že voda papír nepromočí? Voda
v misce odebírá tepelnou energii, kterou chce oheň zapálit papír (voda ochlazuje papír pod jeho zápalnou teplotu). Tímto nedojde k vznícení papíru a voda
v misce se začne ohřívat. Voda zase nepromočí papír, protože je neustále ohříván a vysušován ohněm.
Teplota varu vody je 100 oC, zápalná teplota kancelářského papíru leží až při
teplotě přesahující 250 oC. Kdy papír shoří? Až když se voda v misce vyvaří,
neboť papír je sice zdola ohříván ohněm, ale shora je ochlazován vodou.
Lámání špaget
Co se děje, když lámeme špagetu? Na kolik kusů se rozlomí? Otázka, nad kterou přemýšlely nejlepší mozky světa, včetně nositele Nobelovy ceny Richarda
Feynmana. Nyní byla záhada vyřešena francouzskými fyziky Basilem Audolym
a Sébastienem Neukirchem.
Pomůcky: špagety
61
Provedení: Vezmeme si špagetu, uchopíme ji na obou koncích a pomalu ji
ohýbáme až do doby, než se zlomí. Po několika pokusech zjistíme, že se téměř
nikdy nezlomí pouze na 2 kusy, ale většinou na 3, 4 a 5.
Při 100krát opakovaném pokusu byly výsledky následující: v 7 případech se
špageta rozlomila na 2 kusy, v 69 se zlomila na 3 kusy, v 16 se zlomila na
4 kusy a v 8 případech na 5 kusů.
Vysvětlení:
Pokud zlomíme suchou špagetu, obvykle zjistíme, že namísto toho, aby se
zlomila na 2 části, se zlomí na části 3, kdy střední část odletí mnohdy až přes
celou místnost. Důvodem je, že když ohýbáme špagetu, tak se obvykle nezlomí
v místě ohybu, ačkoli je zde právě místo nejvyššího napětí. Zlomí se v místě
blízkém místu ohybu, kde se kombinuje napětí a vada špagety. Takto dojde ke
zlomení špagety na jeden dlouhý kus a jeden kratší kus (obr. 38a). Dlouhý kus
se poté pohybuje v opačném směru (obr. 38b). Vada na dlouhém kusu špagety
byla již namáhaná během prvního ohybu, a proto se nyní zlomí velmi snadno.
Takto vzniklý kus špagety proletí přes celou místnost (obr. 38c). Toto druhé
zlomení může vyvolat zlomení další, v závislosti na tom, kdy a kde se špageta
zlomila poprvé.
Rozlomení špagety na dva kusy dostaneme v případě, že vada se projeví už
během prvního ohybu, ale to je vcelku vzácné.
První zlom špagety
Druhý zlom špagety a pohyb delšího dílu
Obr. 38 Lámání špaget
Osmóza brambor
Pomůcky: brambor, sůl, lžička
Provedení: Rozřízneme brambor na polovinu. Do jedné poloviny vydlabeme
důlek a otřeme jej papírovým ubrouskem tak, aby v něm zaručeně nebyla žádná
62
voda. Poté do něj nasypeme sůl. Bramboru necháme pár minut stát a zpozorujeme, že sůl v důlku zvlhne. Po pár hodinách v důlku dokonce uvidíme slanou
vodu. Je jasné, že do důlku se voda musela dostat z brambory, ale co ji donutilo
opustit buňky brambory a připojit se k soli v důlku?
Vysvětlení:
Odpověď na tuto otázku je velmi jednoduchá, příčinou je osmotický tlak. Můžeme si jej vysvětlit na následujícím příkladě: představíme si membránu (tenkou vrstvu), která má zvláštní vlastnost – mohou jí procházet molekuly vody,
ale v žádném případě molekuly soli (tedy ionty Na+ Cl–). Zdá se to zvláštní,
protože tyto ionty nejsou o moc větší než molekuly vody. „Iont ale na sebe díky
svému elektrickému náboji nabalí spoustu dalších molekul a takový shluk pak
projde malými póry v membráně mnohem hůře než neutrální molekuly vody.
Navíc iont díky svému elektrickému náboji interaguje se stěnami pórů. Jestliže
nyní dáme nalevo od membrány čistou vodu a napravo roztok soli ve vodě,
dojde k zajímavému jevu: molekuly vody začnou pronikat skrze membránu
zleva doprava, tedy z míst, kde je čistá voda, do míst, kde je roztok soli.“
Proč? Molekuly vody na obou stranách membrány jsou v neustálém náhodném
pohybu – narážejí do sebe, odtlačují a přitahují se. Někdy se ovšem stane, že
molekula vody nacházející se v blízkosti póru v membráně, jí proklouzne na
druhou stranu. Takto proklouzne velké množství molekul, neboť jejich počet
a pohyb je velký. Počet molekul, které projdou zleva doprava je úměrný počtu
molekul, které jsou vlevo v blízkosti membrány. Podobně zprava doleva –
jejich počet souvisí s tím, kolik je molekul vody vpravo v blízkosti membrány.
Ale! Molekul vody vpravo je méně než vlevo, protože část místa zde zabírá sůl,
která vlevo není! Proto za sekundu pronikne více molekul vody zleva doprava
než opačným směrem a výsledkem tedy je tok molekul zleva doprava.
Stojí za upozornění, že není rozhodující celkové množství vody vpravo a vlevo
od membrány, ale množství vody v blízkosti membrány. Pro toto množství je
důležitá jen koncentrace soli, nikoli jaký objem kapaliny je vpravo nebo vlevo.
Ačkoli se zdá, že voda prochází jen zleva doprava, ve skutečnosti se molekuly
pohybují i zprava doleva, avšak první tok převažuje.
Indukční vařič
Moderní pomocník v naší kuchyni, kterým je vybaveno stále více domácností.
Indukční vařič využívá vířivých proudů, které vznikají vlivem proměnného
magnetického pole ve feromagnetickém materiálu. Základ vařiče tvoří indukční
63
cívka, která pracuje na frekvenci 20 kHz (viz Žilavý). Cívka je překryta sklokeramickou deskou. Pokud na desku postavíme vhodné nádobí, obvod se uzavře
a vařič začne pracovat. Zjistili jsme, že pokud na vařič postavíme prázdnou
nádobu a vařič zapneme, automaticky se po chvíli vypne. Stejně tak, pokud na
vařič postavíme nevhodné nádobí, je po chvíli ohlášena chyba, a vařič se vypne. Tímto nevhodným nádobím je např. hliníkový hrnec.
Obr. 39 Pohled do indukčního vařiče
Pokusy:
1. Na vařič postavíme prázdnou hliníkovou nádobu – vařič se vypne.
2. Na vařič postavíme hliníkovou nádobu s vodou – vařič se vypne.
3. Na vařič dáme hliníkovou misku – vznese se.
4. Na vařič dáme kousek hliníkové fólie – odletí.
5. Vařič překryjeme listem alobalu a alobal přidržíme na vařiči, aby neodletěl.
Alobal se začne pálit.
Ve všech případech se vařič automaticky vypíná.
6. Na vařič postavíme smaltovanou nádobu, ale prázdnou. Vařič se vypne.
7. Na vařič postavíme smaltovanou nádobu s vodou. Po zapnutí vařiče přístroj
pracuje a voda začne po chvíli vřít.
8. Podržíme železný hrníček s vodou nad vařičem, hrnec je nadlehčován, což
cítíme v rukou.
64
Závěr – uvedené jevy jsou způsobeny indukovanými vířivými proudy
v materiálu. Nádoba musí být vodivá jen do určité míry, v opačném případě
dochází k přetížení vařiče a ten je automaticky vypnut. Mechanismus je stejný
jako v případě transformátoru, když zkratujeme sekundární vinutí. Proto také
nepoužíváme silnější vrstvy alobalu.
Níže uvedené experimenty demonstrují jevy z elektromagnetismu. Byly převzaty z publikace P. Žilavého „Pokusy s indukčním vařičem“ (dílny Heuréky
2008)
Levitace měděného prstence
Měděný vodič o průřezu 1 mm2 stočíme do tvaru kružnice o průměru asi 10 cm
a uzavřeme pomocí šroubovací instalatérské svorky (vnitřku „čokolády“). Na
vařič položíme malý plechový hrnek s trochou vody (aby nedošlo k přehřátí
vařiče) a kolem něj vytvořený měděný prstenec. Po zapnutí vařiče se díky magnetickým silám působícím na prstenec s indukovaným proudem tento prstenec
vznese. Pokus neprovádíme dlouho, prstenec se silně zahřívá (pokud byl použit
izolovaný vodič, dojde k roztečení izolace, ze stejného důvodu není vhodné
uzavřít prstenec pájením). Hrnek v tomto případě slouží jako „spotřebič“ pro
indukční vařič, aby jej nevypínala ochrana.
Obr. 40 Vlastní provedení pokusu
Vařič jako transformátor
Prstenec z předchozího pokusu rozpojíme (nebo vytvoříme nový) a do tohoto
místa vřadíme objímku se žárovičkou 6 V (např. 0,1 A). Vznikne tak vlastně
cívka tvořená jedním závitem, která napájí žárovičku. Poté, co jsme takto upra65
vený závit položili na desku vařiče a nad něj (opět kvůli „obelstění“ ochrany
vařiče) přiblížili plechový hrnec s trochou vody, se žárovička rozsvítila. Vytvořili jsme vlastně transformátor. Primární vinutí tvoří plochá cívka indukčního
vařiče, sekundární cívkou je závit z měděného drátu se žárovkou. Díky velké
frekvenci změn magnetického pole nepotřebujeme ani magnetický obvod, který
magnetické pole „dopraví“ k sekundární cívce.
66
Literatura
[1] Nahodil, J.: Sbírka úloh z fyziky kolem nás, Prometheus, Praha 2011.
[2] http://www.tvproducts.cz
[3] Indukční vařič – návod k použití (dodáváno s přístrojem)
[4] Kohout, J.: Téma „mikrovlny“ podpořené jednoduchými pokusy. Diplomová práce, Plzeň 2009.
[5] Žilavý, P.: Tajemství indukčního vařiče. Veletrh nápadů učitelů fyziky 13,
Plzeň 2008, ISBN9 78-80-7043-728-5.
[6] Bdinková, V.: Fyzika hrou. ŠOK a Debrujárská kuchařka. AMD 1998.
67
Renata Holubová
Kulinářská fyzika
Vydal Repronis v Ostravě roku 2012
Technická úprava textu: doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc.
Návrh obálky: Repronis, s. r. o.
Tisk: Repronis, s. r. o., Ostrava
Počet stran: 68
Náklad: 150 ks
Vydání: první
ISBN 978-80-7329-316-1