Preteky s loptou
Tentoraz vám navrhujem vyrobiť jednoduché, ale efektívne zariadenie do učebne fyziky. Budú to loptové preteky. Ďalšou výhodou dizajnu trate je, že visí na stene bez toho, aby zaberala veľa miesta a je vždy pripravená predviesť pretekársky zážitok. Tri loptičky začínajú súčasne z bodov umiestnených v rovnakej výške. Pomôže nám s tým špeciálne navrhnutá nosná raketa. Loptičky sa budú pohybovať po troch rôznych dráhach.
Zariadenie vyzerá ako doska visiaca na stene. Na doske sú nalepené tri priehľadné trubičky, dráhy, po ktorých sa budú guľôčky pohybovať. Prvý pás je najkratší a má tvar bežnej naklonenej roviny. Druhým je kruhový segment. Tretí pás je vo forme fragmentu cykloidy. Každý vie, čo je kruh, ale nevie, ako vyzerá a odkiaľ cykloida pochádza. Dovoľte mi pripomenúť, že cykloida je krivka nakreslená pevným bodom pozdĺž kruhu, ktorá sa valí po priamke bez skĺznutia.
Predstavme si, že dáme bielu bodku na pneumatiku bicykla a požiadame niekoho, aby bicykel tlačil alebo na ňom jazdil veľmi pomaly v priamom smere, ale zatiaľ budeme pozorovať pohyb bodky. Dráha bodu pripojeného k autobusu bude obklopovať cykloidu. Tento experiment nemusíte robiť, pretože na obrázku už vidíme zakreslenú cykloidu na mape a všetky dráhy určené na beh gúľ. Aby sme boli na začiatku spravodliví, zostrojíme jednoduchý pákový štartér, ktorý spustí všetky tri guľôčky rovnomerne. Potiahnutím páky sa loptičky zároveň dostanú na cestu.
Zvyčajne nám naša intuícia hovorí, že loptička, ktorá ide po najpriamejšej ceste, teda po naklonenej rovine, bude najrýchlejšia a vyhrá. Ale ani fyzika, ani život nie sú také jednoduché. Presvedčte sa sami zostavením tohto experimentálneho zariadenia. Kto má pracovať. Materiály. Obdĺžnikový kus preglejky s rozmermi 600 x 400 milimetrov alebo korková doska rovnakej veľkosti alebo menej ako dva metre priehľadnej plastovej rúrky s priemerom 10 milimetrov, hliníkový plech s hrúbkou 1 milimeter, drôt s priemerom 2 milimetre. , tri rovnaké guľôčky, ktoré sa musia voľne pohybovať vo vnútri rúrok. Môžete použiť zlomené ložiskové oceľové gule, olovené broky alebo brokové gule v závislosti od vnútorného priemeru vašej rúry. Naše zariadenie zavesíme na stenu a na to potrebujeme dva držiaky, na ktoré zavesíme obrázky. Drôtené rukoväte si u nás môžete kúpiť alebo vyrobiť vlastnými rukami.
Nástroje. Píla, ostrý nôž, horúca lepiaca pištoľ, vŕtačka, rezačka plechu, kliešte, ceruzka, dierovačka, vŕtačka, pilník na drevo a dremel, vďaka čomu je práca veľmi jednoduchá. Základňa. Na papier nakreslíme predpovedané tri cestovné trasy v mierke 1 : 1 podľa nákresu v našom liste. Prvý je rovný. Segment druhého kruhu. Treťou cestou sú cykloidy. Môžeme to vidieť na obrázku. Správny nákres dráh je potrebné prekresliť na základnú dosku, aby sme neskôr vedeli, kam lepiť rúrky, ktoré sa stanú dráhami guľôčok.
Guľôčkové dráhy. Plastové trubičky by mali byť priehľadné, vidíte, ako sa v nich naše guľôčky pohybujú. Plastové rúrky sú lacné a ľahko sa dajú nájsť v obchode. Odrežeme potrebné dĺžky rúrok, približne 600 milimetrov, a potom ich trochu skrátime, napasujeme a vyskúšame na vašom projekte.
Sledujte podporu štartu. Do dreveného bloku s rozmermi 80x140x15 milimetrov vyvŕtajte tri otvory s priemerom rúrok. Otvor, do ktorého zapichneme prvú koľaj, t.j. znázorňujúce rovnomernosť, musia byť rezané a tvarované tak, ako je znázornené na fotografii. Faktom je, že rúrka sa neohýba v pravom uhle a čo najviac sa dotýka tvaru roviny. Samotná rúrka je tiež rezaná pod uhlom, ktorý tvorí. Do všetkých týchto otvorov v bloku prilepte príslušné rúrky.
nakladací stroj. Z hliníkového plechu hrúbky 1 mm vyrežeme dva obdĺžniky s rozmermi, ako je znázornené na nákrese. V prvom a druhom vyvŕtame koaxiálne tri otvory s priemerom 7 milimetrov s rovnakým usporiadaním, ako boli otvory vyvŕtané do drevenej tyče, ktorá tvorí začiatok koľají. Tieto otvory budú štartovacími hniezdami pre loptičky. Do druhej dosky vyvŕtajte otvory s priemerom 12 milimetrov. Na krajné okraje spodnej dosky a na ne hornej dosky s menšími otvormi prilepte malé obdĺžnikové kúsky plechu. Postaráme sa o zarovnanie týchto prvkov. Stredová doska s rozmermi 45 x 60 mm sa musí zmestiť medzi hornú a spodnú dosku a musí sa dať posúvať, aby zakryla a otvorila otvory. Malé plakety nalepené na spodnej a hornej doske obmedzia bočný pohyb stredovej dosky, aby sa mohla pohybovať doľava a doprava pohybom páky. Do tejto dosky vyvŕtame otvor viditeľný na výkrese, do ktorého bude páka umiestnená.
páka. Ohneme ho z drôtu s priemerom 2 milimetre. Drôt možno ľahko získať odrezaním dĺžky 150 mm z drôteného závesu. Zvyčajne takýto vešiak dostaneme spolu s čistým oblečením z prania a pre naše účely sa stáva vynikajúcim zdrojom rovného a hrubého drôtu. Ohnite jeden koniec drôtu v pravom uhle vo vzdialenosti 15 milimetrov. Druhý koniec je možné zaistiť umiestnením drevenej rukoväte.
Podpora páky. Je vyrobený z kvádra s rozmermi 30x30x35 milimetrov na výšku. V strede bloku vyvŕtame slepý otvor s priemerom 2 milimetre, v ktorom bude pracovať hrot páky. Koniec. Nakoniec musíme nejako chytiť lopty. Každá húsenica končí úchopom. Sú potrebné, aby sme po každej fáze hry nehľadali loptičky po celej miestnosti. Záchyt vyrobíme z 50mm kusu rúry. Na jednej strane odrežte rúrku pod uhlom, aby ste vytvorili dlhšiu stenu, na ktorú gulička narazí, aby dokončila cestu. Na druhom konci rúrky vyrežeme štrbinu, do ktorej umiestnime ventilovú dosku. Doska nedovolí, aby sa loptička kdekoľvek vymkla spod kontroly. Na druhej strane, len čo tanier vytiahneme, padne nám do rúk samotná guľa.
Inštalácia zariadenia. V pravom hornom rohu dosky, na označenom začiatku všetkých stôp, prilepte náš drevený blok, v ktorom sme prilepili rúrky, k základni. Rúrky prilepte horúcim lepidlom na dosku podľa nakreslených čiar. Cykloidná dráha najvzdialenejšia od povrchu dosky je po jej priemernej dĺžke podopretá drevenou tyčou vysokou 35 mm.
Prilepte dosky otvorov na horný podperný blok koľajnice tak, aby bezchybne zapadli do otvorov v drevenom bloku. Páčku zasunieme do otvoru centrálnej dosky a jednu do puzdra štartovacieho stroja. Koniec páky zasunieme do vozíka a teraz môžeme označiť miesto, kde má byť vozík prilepený k doske. Mechanizmus musí fungovať tak, že pri otočení páky doľava sa otvoria všetky otvory. Nájdené miesto si označte ceruzkou a nakoniec prilepte podperu horúcim lepidlom.
Zábava. Závodnú dráhu a zároveň vedecký prístroj zavesíme na stenu. Guľôčky rovnakej hmotnosti a priemeru sú umiestnené na ich štartovacích miestach. Otočte spúšť doľava a loptičky sa zároveň začnú pohybovať. Mysleli sme si, že najrýchlejšia guľa v cieli bude tá na najkratšej 500mm dráhe? Naša intuícia nás zlyhala. Tu to tak nie je. V cieli je tretia. Prekvapivo je to pravda.
Najrýchlejšia guľa je tá, ktorá sa pohybuje po cykloidnej dráhe, hoci jej dráha je 550 milimetrov, a druhá je tá, ktorá sa pohybuje po segmente kruhu. Ako sa stalo, že na začiatku mali všetky loptičky rovnakú rýchlosť? Pre všetky lopty sa rovnaký rozdiel potenciálnej energie premenil na kinetickú energiu. Veda nám povie, odkiaľ pochádza rozdiel v cieľových časoch.
Toto správanie loptičiek vysvetľuje dynamickými dôvodmi. Guľôčky sú vystavené určitým silám, nazývaným reakčné sily, ktoré pôsobia na loptičky zo strany dráh. Horizontálna zložka reakčnej sily je v priemere najväčšia pre cykloidu. Spôsobuje tiež najväčšie priemerné horizontálne zrýchlenie tejto gule. Je vedecký fakt, že zo všetkých kriviek spájajúcich akékoľvek dva body gravitačného potu je čas pádu cykloidy najkratší. O tejto zaujímavej otázke môžete diskutovať na niektorej z hodín fyziky. Možno to odloží jednu z hrozných stránok.
