1. Co wspólnego ma jajko ze sklepieniem łukowym i dlaczego jajka ustawiane są w opakowaniach szerszym końcem do góry?
Już w starożytności zwrócono uwagę na to, że konstrukcje oparte na łuku charakteryzuje duża wytrzymałość. Przykładem są budowle wzniesione przez Rzymian, takie jak: np. Panteon, Forum Romanum i łuki tryumfalne.
Drugim rozwiązaniem architektonicznym są kopuły, które wieńczyły konstrukcje o dużych rozpiętościach dochodzących do kilkudziesięciu metrów, takich jak: hale sportowe, wystawowe i handlowe, cyrki, niektóre obiekty przemysłowe itp. Grubość powłoki jest niewielka i nie przekracza zazwyczaj 7 i 8 cm, nawet przy rozpiętościach przekraczających 100 m.
Przyczyną dużej wytrzymałości takich konstrukcji jest to, że siły działające na łuk rozłożone są równomiernie.
Doświadczenie 1. Wykonujemy z drewna model łuku składający się z pięciu trapezów odwróconych szerszymi podstawami na zewnątrz. Następnie demonstrujemy, że naciskając od góry na elementy tego łuku, powodujemy ich klinowanie. Kurczak zaś, znajdujący się pod modelem łuku (odpowiednik skorupki jaja), uderzając dziobem od środka w te same elementy, może bez większego wysiłku wysunąć je na zewnątrz.
Kurczak zawsze wykluwa się od strony tępego (szerszego) czubka jajka, czyli od strony komory powietrznej.
Wykluwanie się kurczaka można zobaczyć na filmie:
Doświadczenie 1a. W specjalnie przygotowanej prasie mocujemy jajko w taki sposób, aby było w niej ułożone pionowo. Nakładamy odważniki lub kilogramowe torebki z solą i sprawdzamy, ile uniesie poddane takiemu eksperymentowi jajko.
Doświadczenie 1b. Do podstawki przygotowanej w ten sposób, żeby można było postawić w niej jajka pionowo, szerszym końcem do dołu, wkładamy 3 – 9 jaj i przykrywamy z góry płytą. Następnie stajemy na tak przygotowanej konstrukcji. Okazuje się, że jajka wytrzymują ciężar człowieka.
Inna wersja tego doświadczenia na kanale „KiteLab Experiments” Edyty Dzikowskiej
2. Po co jajko przepuszcza powietrze?
Skorupka jaja zawiera liczne pory, przez które zachodzi wymiana gazowa między rozwijającym się embrionem a otoczeniem. Dzięki temu embrion kurczaka może oddychać. Zanieczyszczenie skorupki może doprowadzić do zatkania porów i śmierci zarodka przez uduszenie.
Komora powietrzna powstaje w tępym końcu jaja między dwiema błonami . Najczęściej pojawia się w czasie od 6 min. do 1 godz. i ma ok. 5-9 mm średnicy oraz ok. 2 mm głębokości. Pojawienie się komory jest wynikiem silnego kurczenia się treści jaja na skutek schłodzenia, stąd szybkość, z jaką pojawia się komora, jest uzależniona od różnicy temperatur między organizmem kury (41°C) a środowiskiem zewnętrznym. Z czasem komora powiększa się coraz bardziej na skutek wyparowywania wody z jaja. Rozmiar komory zależy od wieku jaja, przepuszczalności skorupy, temperatury i wilgotności przechowywania oraz od wielkości jaja. W jajkach świeżych jest ciemna i mała, a w starych duża i jasna.
Skład gazu w komorze jest zbliżony do składu powietrza i wyrównywany jest na drodze dyfuzji przez skorupkę, a także wskutek tego, że ptaki co pewien czas przerywają wysiadywanie. Pozwala to na ostygnięcie jaj. Wówczas powietrze w komorze kurczy się co powoduje wniknięcie nowych porcji gazów. Częstość chłodzenia i czas zależy od grubości skorupki.
Tym gazem oddycha zarodek od momentu rozpoczęcia oddychania płucnego; głowa zarodka jest umieszczona po stronie komory powietrznej, stąd duże znaczenie ma właściwe umiejscowienie komory w jajach przeznaczonych do wylęgu. Jeśli komora powietrzna położona jest anormalnie, a mianowicie w ostrym końcu lub z boku, to takie jaja nie nadają się do hodowli” [1], [2] .
Doświadczenie 2. Wydostające się z jajka powietrze możemy zaobserwować, wkładając jajko do gorącej wody.
3. Jak zachowuje się jajko podczas i obracania?
Inaczej zachowuje się jajko ugotowane na twardo. Obraca się szybciej i dłużej niż surowe. Ugotowane jajko obraca się bez większego trudu, ponieważ białko i żółtko ścięły się i w pewnym stopniu związały ze skorupą. W tym przypadku w ruch obrotowy wprawiamy masę całego jajka. Nie jest ono wyhamowywane od wewnątrz i ma wielokrotnie większą energię kinetyczną, pozwalającą znacznie dłużej wykonywać ruch. Kręci się ono tak długo, jak długo siła tarcia pomiędzy skorupą a stołem nie zahamuje obrotów.
Surowe jajko zatrzymuje się zaraz po zakręceniu, ponieważ wewnątrz surowego jajka znajduje się płynne białko, a w nim płynne żółtko otoczone cienką błonką. Białko może oddziaływać ze skorupką jedynie za pośrednictwem sił lepkości cieczy, które nie są zbyt duże. Rozkręcając jajko, chwytając za skorupkę, praktycznie tylko ją wprawiamy w ruch obrotowy. Płynna zawartość jajka pozostaje nieruchoma i siły tarcia wewnętrznego szybko wyhamowują lekką skorupkę, w której zgromadzona jest niewielka energia kinetyczna ruchu obrotowego. Krótko podsumowując: w jajku surowym kręci się tylko skorupka, a białko i żółtko nie współdziałają z nią. Dodatkowo do wyhamowania jajka przyczyniają się opór powietrza i tarcie o stół [3], [4], [5], [7] .
Doświadczenie 3. Dwa jajka – surowe i ugotowane na twardo – wprawiamy w ruch obrotowy. Jedno z jajek musimy w dowolny sposób odróżnić od drugiego, np. malując na mim pisakiem jakieś znaki, żeby łatwiej było określić, które z jajek jest np. surowe.
4. A jak podczas staczania?
Doświadczenie 4 . A jeśli surowemu jajku pozwolimy się staczać z pochyłej powierzchni? Mogliśmy takie doświadczenia oglądać na Fizyce na Scenie 3, prezentowane przez dr. Jerzego Jarosza oraz dr Anetę Szczygielską z Uniwersytetu Śląskiego. To, jak zachowuje się jajko podczas toczenia, wspomniani fizycy tłumaczą w następujący sposób: „Niezależnie od położenia jajka, płytka zarodkowa, która znajduje się na powierzchni żółtka, jest zawsze na górze. Żółtko, dzięki umocowaniu do skorupki za pomocą chalazy, czyli białkowych skrętek, może wykonywać jedynie ruchy obrotowe. Z kolei odpowiednio umiejscowiony punkt ciężkości żółtka sprawia, że zarodek zawsze znajduje się na górze. Dzięki temu, niezależnie od pozycji jajka, embrion może być ogrzewany od góry przez ciało kwoki, która jajko wysiaduje. Dzięki takiej budowie żółtka zachowany jest też najmniejszy możliwy moment bezwładności. Można to zobaczyć, tocząc jajko. Surowe stacza się z górki znacznie szybciej niż ugotowane” [3], [4], [5] .
(Położenie żółtka w jajku możemy zaobserwować wkładając surowe jajko na dobę do octu. W ten sposób pozbędziemy się skorupki)
Warto obejrzeć jak wykonuje się takie doświadczenie na kanale „KiteLab Experiments” Edyty Dzikowskiej.
Animacja ilustrująca to zagadnienie jest dostępna na stronie Pracowni Dydaktyki Fizyki Uniwersytetu Śląskiego [6] . Pełna analiza tego ruchu autorstwa Anety Szczygielskiej, Jerzego Jarosza i Janiny Pawlik znajduje się na stronie http://www.demofiz.umcs.lublin.pl/ukat1a.htm
Doświadczenie 5. Model surowego jajka możemy wykonać, wykorzystując dwa balony. Wkładamy jeden w drugi i napełniamy obydwa wodą w taki sposób, żeby przypominały jajko. Następnie staczamy taki układ balonów i obserwujemy, jak zachowuje się mniejszy balonik (symbolizujący żółtko) umieszczony w większym podczas staczania.
(Doświadczenie prezentowane przez Annę Hajdusianek podczas X Spotkania Ogólnopolskiego Klubu Demonstratorów Fizyki – Ustroń Jaszowiec 16 – 18.06.2010)
Bibliografia
[1].http://www.nutrivitality.pl/jaja-i-przetwory-jajeczne/1192-budowa-jaja.html
[2]. Wisława Karolewska; Wiedza i Życie „ Ale jaja!” nr 19, 2009, s.70-71
[3].„Fizyk o dziwnych właściwościach kurzego jajka”
http://www.naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,371420,fizyk-o-dziwnych-wlasciwosciach-kurzego-jajka.html http://www.zdrowemiasto.pl/i/16/ciekawostki/fizyk-o-dziwnych-wlasciwosciach-kurzego-jajka,2047.html
[4]. „O dziwnych właściwościach jaja kurzego”
http://wiadomosci.ekologia.pl/ciekawostki/O-dziwnych-wlasciwosciach-kurzego-jajka,15289,comment,0.html
[5]. „Jajka są superwytrzymałe” http://www.polskieradio.pl/23/270/Artykul/355212,Jajka-sa-superwytrzymale
[6]. „Przygody jajka z momentem bezwładności” – http://www.dydaktykafizyki.us.edu.pl/ w zakładce PREZENTACJE
[7]. Stanisław Bednarek; Badamy ciała niesztywne w ruchu obrotowym – ciecze o małych lepkościach, Delta, marzec 2011 http://www.deltami.edu.pl/temat/fizyka/plyny/2011/03/02/Badamy_ciala_niesztywne_w_ruchu_1/
[8]. „Jajko w oczach fizyka” http://www.szkolaedytystein.pl/node/229
[9]. Jan Gaj; Laboratorium Wiedzy i Życia, „Kamień celtycki”, nr 6, 2001 http://archiwum.wiz.pl/2001/01064300.asp
[10]. Hans Backe ; Z fizyką za pan brat, PW „Iskry”, 1965, 1968, 1974
Fotografie:
Fot 1,2 – zbiory własne
Fot 3. http://www.us.edu.pl/node/120181/img/120221/zoom
Fot.4. http://www.stevespanglerscience.com/experiment/walking-on-eggshells
Rysunki:
Rys.1 Jakub Tomczak
Rys.2 https://www.google.pl/search?q=budowa+jaja
Autor: Krystyna Raczkowska-Tomczak
Publikowane: Bujak Beata, Ociepa Małgorzata, Opaska Aleksandra, Primke Beata, Raczkowska-Tomczak Krystyna, Trzebuniak Anna; Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Nauczycieli Przedmiotów Przyrodniczych; „Porozmawiajmy o jajku”, Nauczanie Przedmiotów Przyrodniczych, tom 43, 3/2012, Toruń 2012, s.20-31