Utrke loptom
Ovaj put predlažem da napravite jednostavan, ali učinkovit uređaj za učionicu fizike. Bit će to utrka s loptom. Još jedna prednost dizajna staze je ta što visi na zidu ne zauzima puno prostora i uvijek je spreman pokazati trkaće iskustvo. Tri loptice polaze istovremeno iz točaka koje se nalaze na istoj visini. U tome će nam pomoći posebno dizajnirano lansirno vozilo. Kuglice će trčati po tri različite staze.
Uređaj izgleda poput ploče koja visi na zidu. Na ploču su zalijepljene tri prozirne cijevi, staze po kojima će se loptice kretati. Prva traka je najkraća i ima oblik konvencionalne nagnute ravnine. Drugi je segment kruga. Treći pojas je u obliku fragmenta cikloide. Svi znaju što je krug, ali ne znaju kako izgleda i odakle dolazi cikloida. Dopustite mi da vas podsjetim da je cikloida krivulja nacrtana fiksnom točkom duž kruga, koja se kotrlja po ravnoj liniji bez klizanja.
Zamislimo da na gumu bicikla stavimo bijelu točku i zamolimo nekoga da gurne bicikl ili ga vozi vrlo sporo u ravnoj liniji, ali za sada ćemo promatrati kretanje točke. Put točke spojene na sabirnicu će okruživati cikloidu. Ne trebate raditi ovaj pokus, jer na slici već možemo vidjeti cikloidu ucrtanu na kartu i sve trake namijenjene kretanju loptica. Da budemo pošteni na početnoj točki, napravit ćemo jednostavan pokretač s polugom koji će ravnomjerno pokrenuti sve tri lopte. Povlačenjem poluge loptice su istovremeno udarile na cestu.
Obično nam intuicija govori da će lopta koja slijedi najizravniji put, odnosno nagnutu ravninu, biti najbrža i pobijediti. Ali ni fizika ni život nisu tako jednostavni. Uvjerite se sami sastavljanjem ovog eksperimentalnog uređaja. Kome raditi. Materijali. Pravokutni komad šperploče dimenzija 600 x 400 milimetara ili pluta iste veličine ili manje od dva metra prozirne plastične cijevi promjera 10 milimetara, aluminijskog lima debljine 1 milimetar, žice promjera 2 milimetra. , tri identične kuglice koje se moraju slobodno kretati unutar cijevi. Možete koristiti slomljene čelične kuglice za ležaj, olovne kugle ili kugle za sačmarice, ovisno o unutarnjem promjeru vaše cijevi. Naš uređaj ćemo objesiti na zid i za to su nam potrebna dva držača na koje ćemo objesiti slike. Od nas možete kupiti ili izraditi žičane ručke vlastitim rukama.
Alat. Pila, oštar nož, pištolj za vruće ljepilo, bušilica, rezač lima, kliješta, olovka, bušilica, bušilica, turpija za drvo i dremel koji posao čini vrlo lakim. Baza. Na papiru ćemo nacrtati predviđene tri rute putovanja u mjerilu 1:1 prema crtežu u našem pismu. Prvi je ravan. Segment druge kružnice. Treći put su cikloide. Vidimo to na slici. Ispravan crtež staza potrebno je ponovno nacrtati na podložnoj ploči, kako bismo kasnije znali gdje zalijepiti cijevi koje će postati staze loptica.
Staze za loptice. Plastične cijevi trebaju biti prozirne, možete vidjeti kako se naše kuglice kreću u njima. Plastične cijevi su jeftine i lako ih je pronaći u trgovini. Odrezat ćemo potrebne duljine cijevi, otprilike 600 milimetara, a zatim ih malo skratiti, uklapajući i isprobavajući vaš projekt.
Podrška za početak praćenja. U drvenom bloku dimenzija 80x140x15 milimetara izbušite tri rupe promjera cijevi. Rupa u koju zalijepimo prvu stazu, t.j. koji prikazuje ravnomjernost, mora biti piljen i oblikovan kao što je prikazano na fotografiji. Činjenica je da se cijev ne savija pod pravim kutom i dodiruje oblik ravnine što je više moguće. Sama cijev se također reže pod kutom koji formira. Zalijepite odgovarajuće cijevi u sve ove rupe u bloku.
stroj za utovar. Iz aluminijskog lima debljine 1 mm izrezali smo dva pravokutnika s dimenzijama, kao što je prikazano na crtežu. U prvom i drugom koaksijalno izbušimo po tri rupe promjera 7 milimetara u istom rasporedu kako su rupe izbušene u drvenoj šipki koja čini početak tračnica. Ove rupe će biti početna gnijezda za loptice. U drugoj ploči izbušite rupe promjera 12 milimetara. Zalijepite male pravokutne komade lima na krajnje rubove donje ploče i na njih gornje ploče s manjim rupicama. Vodimo računa o poravnanju ovih elemenata. Središnja ploča 45 x 60 mm mora stati između gornje i donje ploče i moći kliziti da pokrije i otvori rupe. Male pločice zalijepljene na donju i gornju ploču ograničit će bočno pomicanje središnje ploče tako da se može pomicati lijevo-desno pomicanjem poluge. U ovoj ploči, vidljivoj na crtežu, izbušimo rupu u koju će se postaviti poluga.
poluga poluge. Savijat ćemo ga od žice promjera 2 milimetra. Žica se lako može dobiti rezanjem duljine od 150 mm od žičane vješalice. Takvu vješalicu obično dobijemo uz čistu odjeću iz pranja, a ona postaje izvrstan izvor ravne i debele žice za naše potrebe. Savijte jedan kraj žice pod pravim kutom na udaljenosti od 15 milimetara. Drugi kraj se može pričvrstiti stavljanjem drvene ručke na njega.
Oslonac poluge. Izrađen je od bloka visine 30x30x35 milimetara. U sredini bloka izbušimo slijepu rupu promjera 2 milimetra, u kojoj će raditi vrh poluge. Kraj. Konačno, moramo nekako uhvatiti lopte. Svaka gusjenica završava hvataljkom. One su potrebne kako ne bismo nakon svake faze igre tražili lopte po cijeloj prostoriji. Hvatanje ćemo napraviti od komada cijevi od 50 mm. S jedne strane izrežite cijev pod kutom kako biste stvorili duži zid u koji će lopta udariti kako bi završila rutu. Na drugom kraju cijevi izrežite utor u koji ćemo postaviti ploču ventila. Ploča neće dopustiti da lopta negdje ispadne kontroli. S druge strane, čim izvučemo ploču, sama lopta će nam pasti u ruke.
Montaža uređaja. U gornjem desnom kutu ploče, na označenom početku svih staza, zalijepite naš drveni blok u koji smo zalijepili cijevi za podlogu. Zalijepite cijevi vrućim ljepilom na ploču prema nacrtanim linijama. Cikloidna staza koja je najudaljenija od površine ploče poduprta je po svojoj prosječnoj dužini drvenim blokom visine 35 mm.
Zalijepite ploče za rupe na gornji blok nosača kolosijeka tako da bez greške stanu u rupe na drvenom bloku. Polugu ubacujemo u otvor središnje ploče, a jednu u kućište stroja za pokretanje. Kraj poluge ubacujemo u kočiju i sada možemo označiti mjesto gdje bi kočija trebala biti zalijepljena na dasku. Mehanizam mora raditi na takav način da kada se poluga okrene ulijevo, sve se rupe otvaraju. Olovkom označite pronađeno mjesto i na kraju zalijepite nosač vrućim ljepilom.
Zabava. Trkaću stazu i ujedno znanstveni uređaj vješamo na zid. Na početna mjesta postavljaju se kuglice iste težine i promjera. Okrenite okidač ulijevo i kuglice će se početi kretati u isto vrijeme. Jesmo li mislili da će najbrža lopta na cilju biti ona na najkraćoj stazi od 500 mm? Intuicija nas je iznevjerila. Ovdje nije tako. Na cilju je treća. Začudo, istina je.
Najbrža lopta je ona koja se kreće cikloidnom stazom, iako joj je putanja 550 milimetara, a druga je ona koja se kreće po segmentu kružnice. Kako se dogodilo da su na početnoj točki sve lopte imale istu brzinu? Za sve kuglice ista razlika potencijalne energije pretvorena je u kinetičku energiju. Znanost će nam reći odakle dolazi razlika u vremenu završetka.
Ovakvo ponašanje loptica objašnjava dinamičkim razlozima. Kuglice su podložne određenim silama, koje se nazivaju reakcijske sile, koje djeluju na kuglice sa strane staza. Horizontalna komponenta sile reakcije je u prosjeku najveća za cikloidu. Također uzrokuje najveće prosječno horizontalno ubrzanje te lopte. Znanstvena je činjenica da je od svih krivulja koje povezuju bilo koje dvije točke gravitacijskog znoja vrijeme pada cikloide najkraće. O ovom zanimljivom pitanju možete raspravljati na jednom od satova fizike. Možda će ovo ostaviti po strani jednu od strašnih stranica.
