Fyzika na jezírku … co o ní víme my a co vodoměrky?

Vypadá to, jako by běhaly po tenké fólii, napnuté na vodní hladině. Nikdy ji neprošlápnou a nenamočí se. Jak se hmyz (vodoměrka nebo bruslařka) udrží na hladině, vysvětluje (jak jinak) fyzika. (délka blogu 3 min.)  

Vodoměrky samozřejmě neví o fyzice nic. Fyzikální zákony jsou tu ovšem pro všechny jak pro vodoměrky, které je využívají, tak pro lidi, kteří si jevy umí vysvětlit.

Vodoměrky používají k běhání po hladině dva triky. Jednak jsou velice lehké. To by ale samo o sobě nestačilo. Důležitější trik jim dovolila sama příroda - ta pro ně totiž vodní hladinu skutečně potáhla pomyslnou “fólií”, na které žijí a po které umí běhat.

Povrchové napětí vody - a kouzelné vodíkové můstky

Povrchové napětí tekutiny se dá vysvětlit její strukturou. Voda se skládá z jednotlivých molekul, které jsou propojené tzv. vodíkovými můstky.

Vodíkové můstky jsou zajímavým jevem. Jsou to nejsilnější tzv. nevazebné síly.

Pro jejich vysvětlení si můžete znázornit atom určitého prvku jako hotel. Sklep je obsazen protony. Tma jim vůbec nevadí, naopak, žijí si ve svém vlastním mrňavém světě, ve kterém panují zákony, které my obyčejní lidé vůbec nevnímáme (například tzv. silná a slabá interakce). Elektrony, které jsou také součástí atomu, vyvažují kladný náboj jádra a starají se o to, aby byl atom celkově neutrální. Elektrony nemohou do sklepa, obsazují tedy pokoje v různých patrech hotelu.

Každý atomový hotel je postaven podle stejného stavebního plánu. Jednotlivá patra mají různý počet pokojů - a všechny jsou dvoulůžkové. Elektrony obsazují patro za patrem. V posledním, nejvyšším patře se pak zbylé elektrony usazují v pokojích pokud možno jednom.

Ty, které získaly pokoj jen pro sebe, jsou nejprve nadšené ze spousty místa, časem se ale (jak jinak) začnou nudit. Hledají si proto partnery - a nacházejí je v elektronech, které trpí stejným problémem v jiném hotelu. Začínají spolu komunikovat, telefonují si a dokonce se snad i vzájemně navštěvují. Vznikne tak …

...chemická vazba mezi dvěma prvky.

V případě vody, která se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku, se spojí dva nešťastné elektrony ve vrchním patře kyslíku - s dvěma osamělými kolegy, které se nudí ve dvou atomech vodíku.

Tím ale vzájemná interakce nekončí. Pořád tu ještě máme sklepení, plná kladných nábojů protonů. A kladné náboje, jak je známo, rády přitahují záporné náboje. Ne že by se snad mohlo stát, že se cizí elektrony dostanou až k nim do sklepa… určitá přitažlivost tu přesto je.

V případě vodíku (který má jen jeden proton a jeden elektron) je dokonce situace dost kritická.

Představme si situaci, kdy jediný elektron vodíku odejde na párty, kterou pořádá atom kyslíku. To, čemu říkáme proton - pak zůstane v atomu vodíku nezdravě osamělé. Touží teď po elektronu a je mu už jedno, který to je. Vezme za vděk i elektronem, který mu třeba jen mává z okna jiného atomárního hotelu.

Osamělý proton ve sklepě vodíkového hotelu a soucitné elektrony, které na něj mávají z jiného hotelu, sice netvoří žádnou chemickou vazbu, přesto jsou ale schopné ze své fyzikální lásky (elektromagnetické síly) “přenášet skály” jinými slovy natočit nebo přemístit molekulu vody tak, aby si byli navzájem co nejblíže. Tomuto vztahu pak chemik říká “vodíkový můstek”.

Z toho pak už logicky vyplývá, že se vodíkové  můstky tvoří tím častěji, čím ochotněji soused pořádá párty - a čím ochotněji na ni zve elektrony z jiných atomů. V chemii se tomuto druhu pohostinnosti mimochodem říká…

“elektronegativita”.

V molekule vody se tedy všichni účastníci snaží pro sebe vytvořit z daného stavu to nejlepší. V jednotlivých molekulách jsou pevnými chemickými vazbami propojené atomy vodíku a kyslíku, zatímco molekuly vody jsou provázané pseudo-vazbami - tzv. vodíkovými můstky. Ty mají jen asi třetinovou “sílu” (hodnotu) skutečných chemických vazeb. Na první pohled to může vypadat málo - ve skutečnosti je to ale opravdu hodně vysoká hodnota. Ta nás zavádí přímo k pojmu “povrchové napětí”. Povrch kapaliny se totiž nachází ve speciální stavu.

Co se stane s molekulami, které se ocitnou na povrchu vodní kapky nebo na povrchu jezírka?

Molekuly, které jsou na samotném okraji kapaliny, nemají stejné možnosti, s jakými mohou počítat molekuly uvnitř kapaliny. Směrem k látce, kterou voda  nesmáčí (vzduch, kov, apod.) nenajdou dost partnerů k tvorbě vodíkových můstků.

Výsledkem je síla, která působí paralelně k povrchu kapaliny. Té se pak říká povrchové napětí.

Jinými slovy: vodíkové můstky na povrchu kapaliny nejsou “obslouženy” jinými atomy kapaliny. Tvoří se tak “přebytečná” povrchová energie. A ta způsobuje zajímavé jevy.

Následky existence povrchového napětí - tvar kapky vody a “pevný povrch” pro život vodoměrky

Příroda nerada plýtvá. Systémy se snaží zaujmout takový stav, ve kterém disponují nejmenší možnou energií. Proto se například kapka vody na povrchu, který není vodou smáčen (neobslouží její potřebu tvořit vodíkové můstky) snaží srolovat do nejmenšího možného objemu - koule. Minimalizuje tím svou povrchovou energii.

Tohle je také onen druhý trik, který používají vodoměrky. Jejich nožičky jsou evolucí vytvořeny tak, že se nesmáčejí vodou. Povrchové napětí vody pak bez problémů lehký hmyz unese. Vodní hladina se tedy v jejich hmyzím světě chová tak, jako by byla z pružné látky. Hmotnost vodoměrky ovšem nesmí překročit její nosnost. Proto jsou tito milí tvorové omezení co do vzrůstu a váhy. Obří vodoměrka by po hladině běhat nemohla.

Možná je to uklidňující myšlenka. Leckomu totiž mohou vodoměrky připomínat neoblíbené pavouky. Co se vám tedy rozhodně nestane … v přírodě nepotkáte třiceticentimetrovou vodoměrku. Stejně tak uvidíte na jezírku plavat spíše malé než velké listy.