Míčové závody
Tentokrát vám navrhuji vyrobit jednoduché, ale účinné zařízení pro učebnu fyziky. Půjde o míčový závod. Další výhodou designu dráhy je, že visí na stěně, aniž by zabírala mnoho místa a je vždy připravena předvést závodní zážitek. Tři koule startují současně z bodů umístěných ve stejné výšce. K tomu nám pomůže speciálně navržená nosná raketa. Kuličky poběží po třech různých drahách.
Zařízení vypadá jako deska visící na zdi. Na desce jsou nalepeny tři průhledné trubičky, dráhy, po kterých se budou kuličky pohybovat. První pás je nejkratší a má tvar konvenční nakloněné roviny. Druhým je kruhový segment. Třetí pás je ve formě fragmentu cykloidy. Každý ví, co je kruh, ale neví, jak vypadá a odkud cykloida pochází. Dovolte mi připomenout, že cykloida je křivka nakreslená pevným bodem po kružnici, valící se po přímce, aniž by sklouzla.
Představme si, že dáme bílou tečku na pneumatiku jízdního kola a požádáme někoho, aby kolo tlačil nebo jel velmi pomalu v přímém směru, ale zatím budeme pozorovat pohyb tečky. Dráha bodu připojeného k autobusu bude obklopovat cykloidu. Tento experiment nemusíte dělat, protože na obrázku již vidíme zakreslenou cykloidu na mapě a všechny dráhy určené pro běh koulí. Abychom byli na začátku spravedliví, postavíme jednoduchý pákový startér, který zajistí rovnoměrný start všech tří kuliček. Zatažením za páku míčky zároveň dopadnou na vozovku.
Obvykle nám naše intuice říká, že míč, který sleduje nejpřímější cestu, tedy nakloněnou rovinu, bude nejrychlejší a vyhraje. Ale ani fyzika, ani život nejsou tak jednoduché. Přesvědčte se sami sestavením tohoto experimentálního zařízení. S kým pracovat. Materiály. Obdélníkový kus překližky o rozměrech 600 x 400 milimetrů nebo korková lepenka stejné velikosti nebo méně než dva metry průhledné plastové trubky o průměru 10 milimetrů, hliníkový plech o tloušťce 1 milimetr, drát o průměru 2 milimetry. , tři stejné kuličky, které se musí volně pohybovat uvnitř trubek. Můžete použít zlomené ložiskové ocelové kuličky, olověné broky nebo brokové koule, v závislosti na vnitřním průměru vaší trubky. Naše zařízení zavěsíme na zeď a k tomu potřebujeme dva držáky, na které pověsíme obrázky. Drátěné rukojeti si u nás můžete koupit nebo vyrobit vlastníma rukama.
Nástroje. Pila, ostrý nůž, tavná lepicí pistole, vrtačka, řezačka plechu, kleště, tužka, děrovač, vrtačka, pilník na dřevo a dremel, díky kterému je práce velmi snadná. Základna. Na papír nakreslíme předpovězené tři cestovní trasy v měřítku 1:1 podle nákresu v našem dopise. První je rovný. Segment druhého kruhu. Třetí cestou jsou cykloidy. Můžeme to vidět na obrázku. Správný nákres drah je potřeba překreslit na základní desku, abychom později věděli, kam lepit trubky, které se stanou dráhami kuliček.
Míčové dráhy. Plastové trubičky by měly být průhledné, vidíte, jak se v nich naše kuličky pohybují. Plastové trubky jsou levné a snadno se dají najít v obchodě. Nařežeme požadované délky trubek, přibližně 600 milimetrů, a poté je trochu zkrátíme, napasujeme a vyzkoušíme na váš projekt.
Sledujte podporu startu. Do dřevěného bloku o rozměrech 80x140x15 milimetrů vyvrtejte tři otvory o průměru trubek. Otvor, do kterého zapíchneme první dráhu, tzn. zobrazující rovnoměrnost, musí být řezány a tvarovány tak, jak je znázorněno na fotografii. Trubka se totiž neohýbá do pravého úhlu a co nejvíce se dotýká tvaru roviny. Samotná trubka je také řezána pod úhlem, který tvoří. Do všech těchto otvorů v bloku vlepte příslušné trubky.
nakládací stroj. Z hliníkového plechu o tloušťce 1 mm vyřízneme dva obdélníky o rozměrech, jak je znázorněno na nákresu. V prvním a druhém vyvrtáme tři otvory o průměru 7 milimetrů koaxiálně se stejným uspořádáním, jako byly otvory vyvrtány v dřevěné tyči, která tvoří začátek drah. Tyto otvory budou výchozími hnízdy pro míčky. Do druhé desky vyvrtejte otvory o průměru 12 milimetrů. Na krajní okraje spodní desky a na ně horní desky s menšími otvory přilepte malé obdélníkové kusy plechu. Postarejme se o zarovnání těchto prvků. Středová deska o rozměrech 45 x 60 mm se musí vejít mezi horní a spodní desku a musí být schopná posunout se, aby zakryla a otevřela otvory. Malé plakety nalepené na spodní a horní desce omezí boční pohyb středové desky tak, aby se mohla pohybovat doleva a doprava pohybem páky. Do této desky, viditelný na výkrese, vyvrtáme otvor, do kterého bude páka umístěna.
rameno páky. Ohneme ho z drátu o průměru 2 milimetry. Drát lze snadno získat odříznutím délky 150 mm z drátěného závěsu. Obvykle takové ramínko dostaneme spolu s čistým oblečením z praní a stane se pro naše účely vynikajícím zdrojem rovného a tlustého drátu. Ohněte jeden konec drátu do pravého úhlu ve vzdálenosti 15 milimetrů. Druhý konec lze zajistit nasazením dřevěné rukojeti.
Podpora páky. Je vyroben z kvádru o rozměrech 30x30x35 milimetrů na výšku. Do středu tvárnice vyvrtáme slepý otvor o průměru 2 milimetry, ve kterém bude pracovat hrot páky. Konec. Nakonec musíme nějak chytit míče. Každá housenka je zakončena úchopem. Jsou potřeba, abychom po každé fázi hry nehledali míčky po celé místnosti. Záchyt vyrobíme z 50mm kusu trubky. Na jedné straně odřízněte trubku pod úhlem, abyste vytvořili delší stěnu, na kterou míč narazí, aby dokončil cestu. Na druhém konci trubky vyřízneme štěrbinu, do které vložíme desku ventilu. Talíř nedovolí, aby se míč kdekoli vymkl kontrole. Na druhou stranu, jakmile talíř vytáhneme, padne nám do rukou samotná koule.
Instalace zařízení. V pravém horním rohu desky, na vyznačeném začátku všech drah, přilepte náš dřevěný blok, ve kterém jsme lepili trubky, k základně. Trubky přilepte horkým lepidlem k desce podle nakreslených čar. Cykloidní dráha nejdále od povrchu desky je po její průměrné délce podepřena dřevěným blokem vysokým 35 mm.
Desky s otvory nalepte na horní nosný blok kolejnice tak, aby bezchybně zapadly do otvorů v dřevěném bloku. Páčku vložíme do otvoru středové desky a jednu do pláště startovacího stroje. Konec páky zasuneme do pojezdu a nyní můžeme označit místo, kde se má pojezd přilepit k desce. Mechanismus musí fungovat tak, že při otočení páky doleva se všechny otvory otevřou. Nalezené místo si označte tužkou a nakonec přilepte podpěru horkým lepidlem.
Zábava. Závodní dráhu a zároveň vědecké zařízení zavěsíme na zeď. Kuličky stejné hmotnosti a průměru jsou umístěny na jejich výchozí místa. Otočte spoušť doleva a koule se zároveň začnou pohybovat. Mysleli jsme si, že nejrychlejší míček v cíli bude ten na nejkratší 500mm dráze? Naše intuice nás zklamala. Tady tomu tak není. V cíli je třetí. Překvapivě je to pravda.
Nejrychlejší míč je ten, který se pohybuje po cykloidní dráze, ačkoli jeho dráha je 550 milimetrů, a druhý je ten, který se pohybuje po segmentu kruhu. Jak se stalo, že na startu měly všechny koule stejnou rychlost? U všech míčků byl stejný rozdíl potenciální energie převeden na kinetickou energii. Věda nám řekne, kde se bere rozdíl v dobách dokončení.
Toto chování kuliček vysvětluje dynamickými důvody. Na kuličky působí určité síly, nazývané reakční síly, působící na kuličky ze strany drah. Horizontální složka reakční síly je u cykloidy v průměru největší. Způsobuje také největší průměrné horizontální zrychlení této koule. Je vědeckým faktem, že ze všech křivek spojujících libovolné dva body gravitačního potu je doba pádu cykloidy nejkratší. Tuto zajímavou otázku můžete probrat na jedné z lekcí fyziky. Možná to odloží jednu z hrozných stránek stranou.
