Jajeczne eksperymenty na Wielkanoc

Jajka różnego rodzaju, czekoladowe, pisanki czy też specjalne w jakiś inny sposób, są nierozerwalnie związane ze Świętami Wielkanocnymi. Oprócz zabaw w poszukiwanie jajek i malowania pisanek, możemy też wykorzystać je, by czegoś się nauczyć. W tym celu przeprowadzimy 5 łatwych i przyjemnych eksperymentów naukowych.

Większość z nich może być wykonana na lekcjach z uczniami w dowolnym wieku. Wymagają jedynie kilku minut oraz łatwo dostępnych materiałów (w tym jajek).

Jaja znoszone przez kury składają się z trzech części: skorupki, białka i żółtka. Jeśli zdobędziecie i rozbijecie świeżo zniesione jajko, będziecie mogli dostrzec, że białko nie jest jednolite lecz złożone z dwóch odrębnych części: gęstej wewnętrznej i płynnej zewnętrznej. Pomiędzy białkiem a skorupką znajduje się jeszcze jedna warstwa: cienka lecz dość wytrzymała błona. Sposób w jaki zbudowane jest jajko wpływa na jego właściwości o czym przekonamy się już wkrótce.

Skorupka jajka zniesionego przez zdrową kurę z hodowli wolnowybiegowej jest zadziwiająco twarda, natomiast u kury z chowu klatkowego może być cieńsza. Chociaż mocniejsze uderzenie łatwo ją przebija, skład skorupki oraz okrągły kształt jajka sprawiają, że całość całkiem dobrze znosi nacisk lub działającą na nie siłę (na przykład ciężar wysiadującej go kury). Można się o tym przekonać wykonując kilka eksperymentów – w tym jeden dla odważnych, wymagający chodzenia po jajkach.

Zgniatanie jajek

Uczniowie mogą samodzielnie przeprowadzić ten prosty eksperyment by przekonać się jak dużą siłę potrafi wytrzymać jajko.

Materiały

• Jedno dobrej jakości jajko na grupę (najlepsze są te pochodzące od kur z wolnego wybiegu)
• Folia spożywcza

Postępowanie

1. Owiń każde jajko folią by uniknąć bałaganu w przypadku jego pęknięcia.
2. Poproś uczniów by ściągnęli wszystkie pierścionki jakie mają na palcach.
3. Poproś uczniów by chwycili jajko jedną ręką i ścisnęli je tak mocno jak tylko zdołają (Ryc. 1). Nie powinni dotykać jajka paznokciami.
4. Zgniecenie jajka w ten sposób powinno być praktycznie niemożliwe, a przynajmniej bardzo trudne, nawet przy użyciu dużej siły.

Co się stało? Wyja(j)śnienie

Skorupka zbudowana jest z cienkiego i kruchego materiału – dlaczego zatem jajko nie pękło? Przyczyną jest jego kopułowaty kształt, który – podobnie jak w przypadku kopuł lub łuków w budynkach – sprawia, że siła wywierana na obiekt rozkładana jest równomiernie na całą jego powierzchnię. Dzięki temu nacisk wywierany na jedno miejsce zostaje zredukowany, a tym samym zmniejsza się szansa rozbicia jajka. Kształt ten sprawia także, że skorupka nie jest rozciągana lub rozpychana lecz jedynie ściskana i nie pęka dzięki twardemu materiałowi z jakiego się składa.

W istocie, kształt jaki przyjmuje jajko na swym bardziej spiczasto zakończonym końcu jest idealny pod kątem wytrzymałości na nacisk. Inżynierowie od dawna wiedzą, że kształt łuku zapewniający najkorzystniejszy rozkład wagi to krzywa łańcuchowa. Ten typ krzywej ma kształt podobny jak jajko na węższym końcu. To tłumaczy dlaczego potrafi ono znieść większą siłę nacisku jeśli tylko aplikowana jest ona nie na środek lecz na jego końce. Zaobserwujemy to w następnym eksperymencie.

Chodzenie po jajkach

Chodzenie po jajkach jest bardziej ryzykowne niż ich ściskanie lecz robi odpowiednio większe wrażenie.

Materiały

• Co najmniej dwie wytłaczanki (po 12 sztuk) dobrej jakości jajek

Postępowanie

1. Upewnij się, że jajka nie są pęknięte.
2. Umieść obie wytłaczanki na podłodze, jedną obok drugiej, tak by można było wygodnie na nich stanąć (jedną stopą na każdej).
3. Jeśli posiadasz więcej niż dwie wytłaczanki, umieść je w rządku tak, by tworzyły ścieżkę. Ułożenie ich w pobliżu ściany pozwoli uczniom użyć jej do zachowania równowagi.
4. Zdejmij buty.
5. Ostrożnie stań na wytłaczankach, każdą stopą na innej, dbając o to by równomiernie rozłożyć nacisk (ryc. 2).
6. Jeśli wytłaczanek jest więcej, delikatnie przejdź się po nich.

Co się stało? Wyja(j)śnienie

Jajka ułożone są w wytłaczankach w pozycji pionowej. Osoba na nich stojąca wywiera nacisk nie na boki lecz na kopułowato zakończony koniec jajek, gdzie wytrzymałość na zgniecenie jest największa. Waga osoby rozłożona jest na wiele jajek, przez co nacisk na pojedynczą sztukę zmniejsza się.

Ta sama zasada rozkładu obciążenia sprawia, że możliwe jest położenie się na „łóżku” z jajek. Do tego eksperymentu potrzebne będą dwie kopy (120) jajek. Ciężar ciała rozłożony jest na dużej powierzchni, podobnie jak ma to miejsce w przypadku łóżka z gwoździ.

Wirujące jajka

Choć wydaje się, że odróżnienie jajka surowego od ugotowanego na twardo jest niemożliwe bez ich rozbijania, istnieje prosty sposób by tego dokonać. Zademonstrowany zostanie on w następnym ćwiczeniu – wykonane może ono zostać przez uczniów lub tylko zademonstrowane przez nauczyciela.

Materiały

Jedno surowe i jedno ugotowane na twardo jajko na grupę lub dla nauczyciela. Jajka powinny być do siebie zbliżone wielkością i kształtem (zważ je by sprawdzić ich masę) oraz mieć tą samą temperaturę.

Postępowanie

1. Poproś uczniów, by zgadli, które jajko jest które (jedno jajko w parze można oznaczyć by łatwo było je rozróżnić).
2. Umieść jedno jajko na twardej powierzchni i zakręć nim dość szybko.
3. Zatrzymaj je delikatnie ręką, a następnie puść. Zobacz, czy pozostanie w bezruchu, czy też zacznie znów wirować. Powtórz tę czynność kilka razy.
4. Teraz zrób to samo z drugim jajkiem.
5. Surowe jest to jajko, które zaczęło samo z siebie wirować po zatrzymaniu i puszczeniu.

Co się stało? Wyja(j)śnienie

Wnętrze jajka ugotowanego na twardo jest stałe, a surowego płynne. Gdy wprawimy to drugie w ruch wirowy, a następnie je zatrzymamy, płynny środek będzie nadal się obracał i wprawi całe jajko w ruch gdy je puścimy. Inaczej jest w przypadku ugotowanego jajka. Jego środek stal się ciałem stałym i nie może poruszać się niezależnie od skorupki. W rezultacie, raz zatrzymane, pozostanie w bezruchu.

Używając bardziej naukowego języka, to co się stało to efekt działania sił na kleisty (gęsty) płyn. Gdy obracające się surowe jajko zostaje zatrzymane przez chwycenie na moment skorupki, płyn znajdujący się w jego wnętrzu nie przestaje wirować i wytwarzać sił działających na całe wnętrze jajka. Jeśli puścimy je natychmiast po zatrzymaniu, siły te zadziałają na skorupkę i ponownie wprawią całe jajko w ruch. We wnętrzu jajka ugotowanego na twardo brak jest płynu, który mógłby zmagazynować energię ruchu, toteż raz zatrzymane (czego dokonanie jest wprawdzie nieco trudniejsze niż w przypadki surowego) nie zacznie się znów kręcić.

Rozszerzenie ćwiczenia

Poproś uczniów by sprawdzili, które jajko trudniej jest wprawić w ruch. Czy potrafią znaleźć wyjaśnienie używając podanych powyżej zasad (trudniej powinno być z surowym jajkiem z tego samego powodu dla którego ciężej jest je zatrzymać)?

Odbijające się jajka

Czy wiedzieliście, że jajka, oprócz posiadania niezwykłej wytrzymałości, potrafią się też odbijać? Zanim będziemy mogli to sprawdzić, musimy usunąć skorupkę.

Materiały

• surowe jajko
• ocet (najlepszy jest bezbarwny)

Postępowanie

1. Zanurz jajko w occie i zostaw je tak na noc.
2. Następnego dnia skorupka powinna być miękka. Usuń ją bardzo ostrożnie - tak by nie naruszyć (a tym bardziej nie przebić) znajdującej się pod nią błony.
3. Obmyj jajko tak, żeby nie został na nim żaden kawałek skorupki.
4. Teraz spróbuj upuścić jajko na twardą i gładką powierzchnię z wysokości kilku centymetrów. Powinno podskoczyć! Uważaj by nie przesadzić z wysokością – jajko może pęknąć.

Co się stało? Wyja(j)śnienie

Zawarty w occie kwas etanowy (octowy) wszedł w reakcję ze skorupką zbudowaną z węglanu wapnia:

2 CH₃COOH + CaCO₃ → H₂O + CO₂ + Ca(CH₃COO)₂
kwas etanowy + węglan wapnia → dwutlenek węgla i octan wapnia.

Octan wapnia rozpuszcza się w wodzie co spowodowało rozkład skorupki. Jeśli jajko poleży w occie odpowiednio długo, skorupka rozpuści się całkowicie.

Dlaczego upuszczone jajko nie pęka przy uderzeniu o powierzchnię? Przyczyną jest jego zaskakująco wytrzymała i nieco rozciągliwa błona. Jej elastyczność pozwala jajku rozciągnąć się w momencie uderzenia o powierzchnię, dzięki czemu traci ono prędkość wolniej niż jajko w skorupce. Równoznaczne jest to ze zmniejszeniem siły działającej na jajko (druga zasada dynamiki Newtona).

„Zasysanie” jajka

Delikatnie obrane jajko na twardo może być wykorzystane do zademonstrowania jak działa ciśnienie atmosferyczne.

Materiały

• Jedno jajko na twardo
• Szklana butelka z szyjką odrobinę mniejszą niż szerokość jajka
• Zapałki

Postępowanie

1. Bardzo ostrożnie obierz ugotowane na twardo jajko. Błona ma zostać usunięta tak by nie naruszyć białka.
2. Zapal zapałkę, poczekaj aż płomień będzie duży i wrzuć ją do butelki. Szybko zrób to samo z drugą zapałką, po czym natychmiast zatkaj butelkę jajkiem – zrób to gdy zapałki jeszcze się palą.

Po kilku sekundach powinno być widać jak jajko jest wsysane do środka butelki (ryc. 3 i 4).

Co się stało? Wyja(j)śnienie

Palące się zapałki zużywają znajdujący się w środku butelki tlen i tworzą sadzę. Ciało stałe (sadza) zajmuje mniej miejsca niż gaz (tlen) więc ciśnienie wewnątrz butelki maleje. Na skutek tego, jajko wydaje się być wsysane do butelki choć w rzeczywistości to ciśnienie powietrza z zewnątrz wpycha je do środka.

Dodatkowo można przekonać się, że obniżenie ciśnienia spowodowane przez brak powietrza jest większe niż jego wzrost wywołany wzrostem temperatury (ogrzewanie powietrza przez palące się zapałki zwiększa ciśnienie wewnątrz butelki).

Rozszerzenie ćwiczenia

Powtórz to ćwiczenie lecz zamiast jajka użyj foli spożywczej. Zasłoń nią otwór butelki po wrzuceniu do środka zapałek. Obniżające się we wnętrzu butelki ciśnienie zacznie wciągać folię do środka, w skutek czego stanie się ona wklęsła.

W innej wersji tego eksperymentu użyć można wrzącej wody, którą należy (ostrożnie!) wlać do butelki tuż przed zatkaniem otworu jajkiem. Skraplająca się para wodna obniży ciśnienie wewnątrz butelki, a jajko zostanie powoli zassane do jej wnętrza. Może to potrwać kilka minut.

Wasze pomysły?

Czy używacie jajek w eksperymentach przeprowadzanych na lekcjach? Czy nasze sugestie były pomocne? Zostawcie komentarz pod artykułem online i opiszcie jak wykorzystaliście pomysły w nim przedstawione oraz jakie inne eksperymenty przeprowadziliście. Czy się udały? Co można w nich zmienić?