Dirkanje z žogo
Tokrat vam predlagam, da naredite preprosto, a učinkovito napravo za učilnico fizike. To bo dirka z žogo. Druga prednost dizajna steze je, da visi na steni, ne da bi zavzel veliko prostora in je vedno pripravljen pokazati dirkaško izkušnjo. Tri kroglice se začnejo hkrati iz točk, ki se nahajajo na isti višini. Pri tem nam bo pomagala posebej zasnovana nosilna raketa. Žoge bodo tekle po treh različnih poteh.
Naprava izgleda kot tabla, ki visi na steni. Na ploščo so prilepljene tri prozorne cevi, poti, po katerih se bodo premikale žogice. Prvi trak je najkrajši in ima obliko običajne nagnjene ravnine. Drugi je segment kroga. Tretji pas je v obliki fragmenta cikloide. Vsi vedo, kaj je krog, ne vedo pa, kako je videti in od kod prihaja cikloida. Naj vas spomnim, da je cikloida krivulja, ki jo nariše fiksna točka vzdolž kroga in se kotali po ravni črti brez zdrsa.
Predstavljajmo si, da na pnevmatiko kolesa damo belo piko in nekoga prosimo, naj kolo potisne ali pa ga vozi zelo počasi v ravni črti, zaenkrat pa bomo opazovali gibanje pike. Pot točke, ki je pritrjena na avtobus, bo obkrožila cikloido. Tega poskusa vam ni treba narediti, saj na sliki že vidimo cikloido, ki je narisana na zemljevidu, in vse steze, namenjene za vožnjo žogic. Če smo pošteni glede izhodišča, bomo zgradili preprost zaganjalnik z vzvodom, ki bo enakomerno zagnal vse tri kroglice. S potegom vzvoda so kroglice hkrati udarile na cesto.
Običajno nam naša intuicija pove, da bo žoga, ki sledi najbolj neposredni poti, torej nagnjeni ravnini, najhitrejša in zmagala. Toda niti fizika niti življenje nista tako preprosta. Prepričajte se sami, tako da sestavite to eksperimentalno napravo. Komu delati. Materiali. Pravokoten kos vezanega lesa velikosti 600 x 400 milimetrov ali plutovina enake velikosti ali manj kot dva metra prozorne plastične cevi s premerom 10 milimetrov, aluminijasta pločevina debeline 1 milimeter, žica premera 2 milimetra. , tri enake kroglice, ki se morajo prosto gibati znotraj cevi. Uporabite lahko zlomljene jeklene kroglice, svinčene kroglice ali krogle za puško, odvisno od notranjega premera vaše cevi. Našo napravo bomo obesili na steno in za to potrebujemo dva držala, na katera obesimo slike. Pri nas lahko kupite ali izdelate žične ročaje z lastnimi rokami.
Orodja. Žaga, oster nož, pištola za vroče lepilo, vrtalnik, rezalnik pločevine, klešče, svinčnik, luknjač, sveder, pila za les in dremel, kar zelo olajša delo. Osnova. Na papir bomo narisali predvidene tri potovalne poti v merilu 1:1 po risbi v našem pismu. Prva je ravna. Segment drugega kroga. Tretja pot so cikloide. Vidimo ga na sliki. Pravilno risbo tirnic je treba prerisati na osnovno ploščo, da kasneje vemo, kam prilepiti cevi, ki bodo postale tirnice žogic.
Proge za žogo. Plastične cevi morajo biti prozorne, lahko vidite, kako se v njih premikajo naše kroglice. Plastične cevi so poceni in jih je enostavno najti v trgovini. Odrezali bomo potrebne dolžine cevi, približno 600 milimetrov, in jih nato nekoliko skrajšali ter jih prilagodili in preizkusili na vašem projektu.
Podpora za začetek skladbe. V leseni blok velikosti 80x140x15 milimetrov izvrtajte tri luknje s premerom cevi. Luknja, v katero zataknemo prvi tir, t.j. ki prikazuje enakomernost, morajo biti žagane in oblikovane, kot je prikazano na fotografiji. Dejstvo je, da se cev ne upogne pod pravim kotom in se čim bolj dotika oblike ravnine. Tudi sama cev je razrezana pod kotom, ki ga tvori. V vse te luknje v bloku prilepite ustrezne cevi.
nakladalni stroj. Iz aluminijaste pločevine debeline 1 mm smo izrezali dva pravokotnika z dimenzijami, kot je prikazano na risbi. V prvem in drugem koaksialno izvrtamo tri luknje s premerom 7 milimetrov z enako razporeditvijo, kot so bile izvrtane v leseni drog, ki predstavlja začetek tirov. Te luknje bodo začetna gnezda za kroglice. V drugo ploščo izvrtajte luknje s premerom 12 milimetrov. Majhne pravokotne kose pločevine prilepite na skrajne robove spodnje plošče in nanje zgornje plošče z manjšimi luknjami. Poskrbimo za poravnavo teh elementov. Osrednja plošča 45 x 60 mm se mora prilegati med zgornjo in spodnjo ploščo in mora biti zdrsna, da pokrije in odpre luknje. Majhne ploščice, prilepljene na spodnjo in zgornjo ploščo, bodo omejile bočno premikanje osrednje plošče, tako da se lahko premika levo in desno s premikom vzvoda. V to ploščo, ki je vidna na risbi, izvrtamo luknjo, v katero bo nameščen vzvod.
vzvod. Upognili ga bomo iz žice s premerom 2 milimetra. Žico je mogoče zlahka pridobiti tako, da iz žičnega obešala odrežete dolžino 150 mm. Običajno tak obešalnik dobimo skupaj s čistimi oblačili iz pralnice in postane odličen vir ravne in debele žice za naše namene. En konec žice upognite pod pravim kotom na razdalji 15 milimetrov. Drugi konec lahko pritrdite z lesenim ročajem.
Podpora za vzvod. Izdelana je iz bloka velikosti 30x30x35 milimetrov. V sredini bloka izvrtamo slepo luknjo s premerom 2 milimetra, v katero bo delovala konica vzvoda. Konec. Končno moramo nekako ujeti žoge. Vsaka gosenica se konča z oprijemom. Potrebni so, da po vsaki fazi igre ne iščemo žogic po vsej sobi. Zajem bomo naredili iz 50 mm kosa cevi. Na eni strani odrežite cev pod kotom, da ustvarite daljšo steno, ki jo bo žogica udarila, da dokonča pot. Na drugem koncu cevi izrežemo režo, v katero bomo postavili ploščo ventila. Plošča ne bo dovolila, da bi žogica nikjer ušla izpod nadzora. Po drugi strani pa nam bo takoj, ko izvlečemo krožnik, žogica sama padla v roke.
Montaža naprave. V zgornjem desnem kotu deske, na označenem začetku vseh tirov, na podlago prilepimo naš leseni blok, v katerem smo prilepili cevi. Cevke z vročim lepilom prilepite na desko po narisanih črtah. Od površine plošče najbolj oddaljena cikloidna pot je po svoji povprečni dolžini podprta z leseno palico, visoko 35 mm.
Plošče z luknjami prilepite na zgornji nosilni blok tirnice, tako da se brez napak prilegajo v luknje v lesenem bloku. Vzvod vstavimo v luknjo centralne plošče in eno v ohišje zagonskega stroja. Konec vzvoda vstavimo v voziček in zdaj lahko označimo mesto, kjer naj bo voziček prilepljen na desko. Mehanizem mora delovati tako, da se ob obrnjenem vzvodu v levo odprejo vse luknje. Najdeno mesto označite s svinčnikom in na koncu z vročim lepilom zlepite oporo.
Fun. Dirkališče in hkrati znanstveno napravo obesimo na steno. Na začetna mesta so postavljene kroglice enake teže in premera. Obrnite sprožilec v levo in kroglice se bodo začele premikati hkrati. Ali smo mislili, da bo najhitrejša žoga na cilju tista na najkrajši 500 mm progi? Intuicija nas je izneverila. Tukaj ni tako. V cilju je tretja. Presenetljivo je res.
Najhitrejša žoga je tista, ki se giblje po cikloidni poti, čeprav je njena pot 550 milimetrov, druga pa tista, ki se giblje po segmentu kroga. Kako se je zgodilo, da so imele na izhodišču vse žogice enako hitrost? Za vse kroglice je bila enaka razlika potencialne energije pretvorjena v kinetično energijo. Znanost nam bo povedala, od kod prihaja razlika v končnih časih.
To vedenje žogic pojasnjuje z dinamičnimi razlogi. Na kroglice delujejo določene sile, imenovane reakcijske sile, ki delujejo na krogle s strani tirov. Horizontalna komponenta reakcijske sile je v povprečju največja za cikloido. Povzroča tudi največji povprečni horizontalni pospešek te kroglice. Znanstveno dejstvo je, da je od vseh krivulj, ki povezujejo kateri koli dve točki gravitacijskega potu, čas padca cikloide najkrajši. O tem zanimivem vprašanju lahko razpravljate na eni od lekcij fizike. Morda bo to zapustilo eno od groznih strani.
