Crookesův mlýnek

Ze skleněné baňky byl vyčerpán vzduch a lopatky mlýnku jsou z jedné strany lesklé bílé a z opačné strany matné černé. Mlýnek se otáčí na hrotu, přičemž tření mezi nimi je minimální. Když do baňky posvítíme, mlýnek se roztočí – ale proč? 

Světlo se skládá z částic zvaných fotony. Foton se podstatně liší od částic tvořících látku, tedy od molekuly či atomu nebo chcete-li od elektronu, protonu a neutronu. Fyzikové říkají, že nemá žádnou klidovou hmotnost. Znamená to, že foton je jen porce energie a existuje jen, dokud se pohybuje rychlostí světla. Jakmile bychom foton něčím zastavili, zanikl by a jeho energii by okamžitě pohltilo to „něco“, co ho zastavilo. 

A přesně toto se děje na matné černé straně lopatek našeho „mlýnku“: fotony, které tam dopadají, hned zanikají a matná černá plocha je pohlcuje a tím se ohřívá. 

Jinak je to ale s fotony dopadajícímu na lesklou stranu lopatek. Od nich se dopadající fotony odrážejí a pokračují v pohybu opačným směrem. 

Pozor, teď přijde nejnáročnější část úvahy. Představme si desku, která visí na provázcích, a míček, který na ni dopadne a zůstane s ní spojený (např. přilepený suchým zipem). Dopad míčku s deskou pochopitelně pohne. A teď si představme jiný míček, který je sice stejně těžký, ale po dopadu na desku se od ní odrazí stejnou rychlostí do opačného směru. Tento druhý míček dá desce dvakrát větší impulz (dopadem a odrazem), než jí udělil první (pouze dopadem). Pokud ale oba míčky dopadnou na desku současně, každý z jiné strany, tak se jejich impulzy odečtou – a deska se pohne, jak ukazuje obrázek: 

Jako míček, který se po dopadu přilepí, se chovají fotony dopadající na matnou černou stranu lopatek. Jako míček, který se po dopadu odrazí, se chovají fotony dopadající na lesklou bílou stranu lopatek. Mlýnek se pak otáčí takto: 

Takhle by ovšem fungoval Crookesův mlýnek pouze za podmínky, že by se z baňky podařilo vyčerpat veškerý (či téměř veškerý) vzduch. Mechanické účinky dopadání a odrážení fotonů jsou totiž jen nepatrné a projeví se jen ve vakuu. Bohužel běžné Crookesovy mlýnky tuto podmínku nesplňují, v jejich baňkách je vzduch pouze zředěný. A proto tyto výrobky fungují úplně jinak, než jsme popsali :-D 

Tedy jak? 

Fotony pohlcené černou stranou lopatky způsobují její ohřívání, a proto se ohřívá také vzduch v její blízkosti. A ohřátí látky znamená rychlejší pohyb jejích molekul a jejich prudší narážení do blízkých těles. S mlýnkem tedy neotáčejí fotony odrážející se od lesklé bílé strany lopatek, ale molekuly vzduchu ohřívaného u protější, matné černé strany. Tudíž ve skutečnosti se mlýnek otáčí opačně, než vyplynulo z předchozího výkladu: 

Existují tedy dvě různá vysvětlení toho, jak funguje Crookesův mlýnek. Každé se ale vztahuje k jinému druhu Crookesova mlýnku. Ten s téměř úplným vakuem v baňce funguje prvním způsobem, mlýnek obklopený pouze zředěným vzduchem funguje způsobem druhým. Který způsob je aktuální u konkrétního výrobku, to hned poznáme podle směru otáčení – a také podle následujícího experimentu. 

Pokud mlýnek roztáčejí molekuly ohřátého vzduchu, tak se výrazně projeví nahrazení slunečního záření či světla ze žárovky infračerveným zářením: mlýnek osvícený infralampou se roztočí mnohem rychleji. To proto, že infračervené záření – jednoduše řečeno – víc hřeje, než svítí. (Proto se mu také říká tepelné záření.) Naopak při použití LED, která je zdrojem „studeného“ světla, se mlýnek roztočí jen velmi pomalu. 

Otázka na závěr: bude Crookesův mlýnek fungovat, když v okolí lopatek nebude ani vakuum, ani zředěný vzduch, ale vzduch nezředěný, s normálním tlakem? 

Video: iQBLOG - Jak to funguje: Crookesův Mlýnek 

Autor: Zdeněk Rakušan 

Ilustrace: Adéla Gážiová