2.2 Pod tlakem
Druhé tematické období 2. ročníku je zaměřeno na tlak kapalin. Je probírána mechanika kapalin a to především na příkladu krve a krevního oběhu. Mimo fyzikální pohled na kapaliny obecně je blíže představen oběhový systém, včetně imunity a tedy "tlaku" okolí na těla organismů. V mnoha místech se ale vracíme zpět k chemickým vazbám a popisu skupenství, někdy naopak mírně předbíháme a bavíme se např. o tlaku na ušní bubínek u potápěčů. Jedná se tak opět o velmi pestrou kapitolu s mnoha možnými přesahy.
Probíraná témata:
Kapalina. Tlak. Krev. Imunita. Oběhová soustava. Srdce.
Sylabus
Harmonogram
Tipy & postřehy
Návaznosti
U vlastností kapalin a tlaku jsme se často dostali k biologickým otázkám jako problémy s ponorem potápěčů, funkce plynového měchýře ryb (a jeho absence u paryb), tlak krve a možnosti měření atp.
Provázanost témat tlaku a krve jsme se pokusili zdůraznit zapojením praktických činností v rámci laboratorních prací (pitva srdce, měření tlaku, výpočet průtoku krve aortou,...)
Hydrostatika
Pro distanční výuku jsme v prostředí Google Colaboratory vytvořili dokument o hydrostatice. Obsahuje stručný výklad, přehled vzorců, ilustrace, odkazy na videa, úlohy k řešení, otázky k diskusi ve třídě, nápady na domácí experimenty. Ačkoli jde o fyzikální téma, obsah dokumentu v několika bodech navazuje na biologii. I v prezenční výuce se osvědčilo s dokumentem pracovat ve třídě a žáci si sami řekli o nasdílení jako studijního materiálu do Google Classroom.
Během prezenční výuky jsme prováděli také demonstrační experimenty ve třídě. Potřebovali jsme několik metrů dlouhou průhlednou hadičku (zakoupeno v Hornbachu, určeno pro akvaristiku), černorybízový džus (je v hadičce dobře vidět) a žebřík/štafle. Cílem je přesvědčit se o značné velikost atmosférického a hydrostatického tlaku s vlivem na sání tekutiny. Problém lze uvést otázkou - proč se nevyrábějí delší šnorchly? Odhadem plochy hrudníku a výpočtem tlaku můžeme zjistit, že už v hloubce jednoho metru pod vodou by svaly hrudního koše neudržely jeho tvar, plíce by se nemohly roztáhnout pro nádech. Následuje pokus - student vyleze na žebřík, nádoba s džusem je pro všechny viditelná na lavici, a on se pokusí nadechnout z hadičky, jejíž konec je pod hladinou džusu. Důležité je zdůraznit, že jeho úkolem je nadechnout se vzduchu, nikoli napít džusu. Nepodaří se mu vytáhnout hladinu metr vysoko, takže metr pod vodou by se nenadechl.
Druhý pokus uvozuje otázka - proč se nedělají dlouhá brčka? Jsem na oslavě na vysoké terase a pod sebou vidím kolegyni z tandemu, která drží dobré pití. Dlouhé brčko bych mohl nenápadně spustit dolů a trochu pití jí ukrást. Podaří se mi to? Po předchozí demonstraci budou studenti pravděpodobně očekávat, že nepodaří. Já však vylezu na žebřík až ke stropu učebny, ústy s trochou úsilí vytáhnu hladinu až k sobě a s chutí se napiju. Jak to? Protože jsem podtlak vytvářel pouze v ústech a ne v plicích. Pracovaly svaly úst, které jsou silnější než svaly hrudníku.
Ideální plyn
V první hodině vybudujeme základní představu o termodynamice. Co je termodynamický systém, jeho hranice, okolí. Přes hranici se může předávat teplo, práce nebo částice. Vnitřní energii systému definujeme jako sumu mechanických energií všech částic - kinetická část se projevuje jako teplota a potenciální především jako vazby mezi částicemi (tím se odlišují skupenství). Následně můžeme vyslovit první větu termodynamickou pro uzavřený systém a její praktické důsledky - neexistence perpetua mobile I. druhu. Kdo chce konat práci, musí také přijímat patřičné množství energie, což platí beze zbytku i pro živé organismy. Živočichové se hodně pohybují, a proto mají také větší "spotřebu" než rostliny.
Zároveň zavádíme dvě zásadní veličiny teplo a termodynamickou teplotu. Teplo se předává při tepelné výměně vedením, prouděním nebo zářením - všechny tyto způsoby lze dobře ukázat na příkladech s živými tvory, lidmi. Dále stručně zmíníme různé způsoby měření teploty (teplotní roztažnost kapalin, kovů, plynů, chemické teploměry, elektrické čidla, infračervený teploměr). Přesvědčíme se, že náš biologický smysl pro teplotu dává poněkud jiné údaje než teploměr - dřevěný a kovový předmět o objektivně stejné teplotě nám na dotek nepřipadají stejně teplé. Naše vnímání teploty spíše odpovídá rychlosti předávání tepla do/z těla při tepelné výměně jedním z uvedených způsobů.
Další začneme hned rovnicí ideálního plynu ve tvaru pV=nRT. Zopakujeme chemické veličiny jako látkové množství a molární hmotnost. Řešíme úlohy, kde hledáme nějakou stavovou veličinu pro plyn, například tlak nebo hustotu.
Někdy časově nestíháme projít jednotlivé děje v ideálním plynu a jejich výpočty. Co by ale určitě nemělo chybět jsou tepelné stroje. Výborná je k tomu webová stránka Animated Engines s animacemi a popisy různých tepelných motorů. Ve třídě také předvádíme v chodu reálný Stirlingův motor, který je poháněn teplem z hrnku s čajem. Když je dost času, mohou studenti sami motor prozkoumat, podrobně se seznámit s jeho fungováním, načasováním jednotlivých dějů v motoru. Je to asi nejjednodušší model tohoto typu a velmi pěkný.
V bodech: otázky a poznámky k termodynamice. a zdroje ke studiu.
Ukázky studentských prací
Povinně-volitelné úkoly (20. 11. 2021 1:41)
Komiks a schéma k tématu imunitní systém
Externí zdroje
Články
Hořejší, Václav (Vesmír): seriál z oboru Imunologie vydávaný mezi lety 2016 a 2017