Proč vlastně fungují – přesýpací hodiny?

Co mají přesýpací hodiny společného s klenbou kostela – a proč vlastně fungují tak, jak fungují? (blog je dnes kratší, ca. 2 min.)

Písek je zajímavá látka. Chová se částečně jako pevné těleso, zároveň umí „téct“ jako tekutina. Tohoto principu se využívají například přesýpací hodiny, ve kterých z horní naplněné baňky písek „vytéká“ jako kapalina a postupně zaplňuje spodní nádržku.

Proč zrovna písek?

Přesýpací hodiny by kupodivu nefungovaly, kdyby byly naplněny opravdovou kapalinou - vodou. Na rozdíl od písku je totiž rychlost, kterou se tekutina přelévá z jedné baňky do druhé, závislá na výšce vodního sloupce, tedy na aktuálním množství vody v horní baňce. Písek se na rozdíl od vody přesouvá z jedné části přesýpacích hodin do druhé se stále stejnou, konstantní rychlostí.

Může za to samotná podstata písku. Písek je souhrn pevných malých částeček - zrnek. Sousedící zrnka se navzájem dotýkají malými ploškami, kterými se o sebe opírají. Síly, které na ně působí (například vliv gravitace) se tak mohou šířit od zrnka k zrnku. Částečně se přenášejí na baňku samotnou. Podobně se chovají síly ve správně postavených klenbách domů. Tam se síly přenášejí na sloupy, které klenbu podpírají. V přesýpacích hodinách hraje úlohu klenby sklo baňky. Dolní vrstvy přesýpaného písku se tak nacházejí pod stále stejným, víceméně konstantním tlakem nezávisle na tom, jak vysoký je sloupec písku, který se nachází nad nimi.

Starý trik

Stejný jev, který umožňuje písku měřit čas, dovoluje také provést trik, při kterém se dá zvednout nepříliš těžká nádoba – aniž byste se jí dotkli rukama.

Vsaďte do nádoby dřevěnou tyčku a prostor kolem ní vyplňte pískem. Poklepáváním pak písek setřeste a zhutněte. Při dostatečné hustotě písku se dá nádoba zvednout za tyčku – aniž byste se museli dotýkat samotné nádoby. Zrnka písku, která vytvořila hutnou strukturu, odvádí sílu, kterou působí tyčka při zvedání experimentu, na stěny nádoby. Ta je pevná. Písek nemá možnost se zdeformovat, takže se v tu chvíli chová jako kompaktní látka.

Tento experiment se dá mimochodem zopakovat i ve větším měřítku, když tyčku nahradí kmen poraženého stromu a nádoba se vymění za přiměřeně velkou variantu. Písek v nádobě pak může vážit klidně i kolem 300 kg.