Trke sa loptom
Ovaj put predlažem da napravite jednostavan, ali efikasan uređaj za učionicu fizike. Biće to trka loptica. Još jedna prednost dizajna staze je ta što visi na zidu ne zauzima puno prostora i uvijek je spreman pokazati trkačko iskustvo. Tri lopte polaze istovremeno iz tačaka koje se nalaze na istoj visini. U tome će nam pomoći posebno dizajnirano lansirno vozilo. Lopte će trčati po tri različite staze.
Uređaj izgleda kao daska okačena na zid. Na dasku su zalijepljene tri prozirne cijevi, staze po kojima će se loptice kretati. Prva traka je najkraća i ima oblik konvencionalne nagnute ravni. Drugi je segment kruga. Treća traka je u obliku fragmenta cikloide. Svi znaju šta je krug, ali ne znaju kako to izgleda i odakle dolazi cikloida. Da vas podsjetim da je cikloida kriva povučena fiksnom tačkom duž kružnice, koja se kotrlja duž prave linije bez klizanja.
Zamislimo da stavimo bijelu tačku na gumu bicikla i zamolimo nekoga da gurne bicikl ili da ga vozi vrlo sporo u pravoj liniji, ali za sada ćemo posmatrati kretanje tačke. Putanja tačke spojene na sabirnicu će okruživati cikloidu. Ne morate raditi ovaj eksperiment, jer na slici već možemo vidjeti cikloidu ucrtanu na karti i sve trake namijenjene za kretanje loptica. Da budemo pošteni po pitanju početne tačke, napravićemo jednostavan pokretač poluge koji će osigurati da sve tri lopte počnu ravnomerno. Povlačenjem poluge loptice su istovremeno udarile na cestu.
Obično nam intuicija govori da će lopta koja ide najdirektnijim putem, odnosno nagnutom ravninom, biti najbrža i pobijediti. Ali ni fizika ni život nisu tako jednostavni. Uvjerite se sami sklapanjem ovog eksperimentalnog uređaja. Ko da radi. Materijali. Pravokutni komad šperploče dimenzija 600 x 400 milimetara ili plutene ploče iste veličine ili manje od dva metra prozirne plastične cijevi prečnika 10 milimetara, aluminijskog lima debljine 1 milimetar, žice prečnika 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 unutrašnjem promjeru vaše cijevi. Naš uređaj ćemo okačiti na zid i za to su nam potrebna dva držača na koje ćemo okačiti slike. Kod nas možete kupiti ili napraviti žičane ručke vlastitim rukama.
alat. Testera, oštar nož, pištolj za vruće ljepilo, bušilica, rezač lima, kliješta, olovka, bušilica, bušilica, turpija i dremel što olakšava posao. Baza. Na papiru ćemo nacrtati predviđene tri putne rute u mjerilu 1:1 prema crtežu u našem pismu. Prva je ravna. Segment drugog kruga. Treći put su cikloidi. Vidimo to na slici. Ispravan crtež tragova potrebno je ponovo nacrtati na osnovnoj ploči, kako bismo kasnije znali gdje zalijepiti cijevi koje će postati tragovi kuglica.
Staze sa loptom. Plastične cijevi trebaju biti prozirne, možete vidjeti kako se u njima kreću naše kuglice. Plastične cijevi su jeftine i lako ih je pronaći u trgovini. Isjeći ćemo potrebne dužine cijevi, otprilike 600 milimetara, a zatim ih malo skratiti, uklapajući i isprobavajući vaš projekat.
Podrška za početak praćenja. U drvenom bloku dimenzija 80x140x15 milimetara izbušite tri rupe promjera cijevi. Rupa u koju zabijamo prvu stazu, tj. koji prikazuje ujednačenost, 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 je također izrezana pod uglom koji formira. Zalijepite odgovarajuće cijevi u sve ove rupe u bloku.
mašina za utovar. Od aluminijumskog lima debljine 1 mm izrezali smo dva pravougaonika dimenzija, kao što je prikazano na crtežu. U prvom i drugom koaksijalno izbušimo po tri rupe prečnika 7 milimetara po istom rasporedu kao što su rupe izbušene u drvenoj šipki koja čini početak koloseka. Ove rupe će biti početna gnijezda za loptice. U drugoj ploči izbušite rupe prečnika 12 milimetara. Zalijepite male pravokutne komade lima na krajnje rubove donje ploče i na njih gornje ploče sa manjim rupama. Vodimo računa o poravnanju ovih elemenata. Središnja ploča 45 x 60 mm mora stati između gornje i donje ploče i može kliziti da pokrije i otvori rupe. Male ploče zalijepljene na donju i gornju ploču ograničit će bočno pomicanje središnje ploče tako da se može pomicati lijevo-desno pomicanjem poluge. Na ovoj ploči, vidljivoj na crtežu, izbušimo rupu u koju će se postaviti poluga.
poluga. Savijat ćemo ga od žice promjera 2 milimetra. Žica se može lako dobiti rezanjem dužine od 150 mm od žičane vješalice. Takvu vješalicu obično dobijemo zajedno sa čistom odjećom iz pranja i ona postaje odličan izvor prave i debele žice za naše potrebe. Savijte jedan kraj žice pod pravim uglom na udaljenosti od 15 milimetara. Drugi kraj se može pričvrstiti stavljanjem drvene ručke na njega.
Podrška 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. Oni su potrebni da ne bismo tražili lopte po cijeloj prostoriji nakon svake faze igre. Hvatanje ćemo napraviti od komada cijevi od 50 mm. S jedne strane izrežite cijev pod uglom kako biste stvorili duži zid u koji će lopta udariti kako bi završila rutu. Na drugom kraju cijevi izrežite prorez u koji ćemo postaviti ploču ventila. Ploča neće dozvoliti da lopta negdje ispadne kontroli. S druge strane, čim izvučemo ploču, sama lopta će pasti u naše ruke.
Instalacija uređaja. U gornjem desnom uglu 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 duž svoje prosječne dužine drvenim blokom visine 35 mm.
Ploče za rupe zalijepite na gornji blok nosača kolosijeka tako da se bez greške uklapaju u rupe na drvenom bloku. Polugu ubacujemo u otvor centralne ploče, a jednu u kućište startne mašine. Kraj poluge ubacujemo u kočiju i sada možemo označiti mjesto gdje kočiju treba zalijepiti na dasku. Mehanizam mora raditi na takav način da kada se poluga okrene ulijevo, sve rupe se otvore. Olovkom označite pronađeno mjesto i na kraju zalijepite nosač toplim ljepilom.
Zabava. Trkačku stazu i istovremeno naučni uređaj okačimo na zid. Na početna mjesta postavljaju se loptice iste težine i prečnika. Okrenite okidač ulijevo i loptice 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. Ona je treća na cilju. Iznenađujuće, istina je.
Najbrža lopta je ona koja se kreće cikloidnom putanjom, iako joj je putanja 550 milimetara, a druga je ona koja se kreće duž segmenta kružnice. Kako se dogodilo da su na početnoj tački sve lopte imale istu brzinu? Za sve kuglice, ista razlika potencijalne energije pretvorena je u kinetičku energiju. Nauka će nam reći odakle dolazi razlika u vremenu završetka.
Ovakvo ponašanje loptica objašnjava dinamičkim razlozima. Kuglice su podložne određenim silama, koje se nazivaju reakcione sile, koje djeluju na kuglice sa strane staze. Horizontalna komponenta sile reakcije je u prosjeku najveća za cikloidu. To također uzrokuje najveće prosječno horizontalno ubrzanje te lopte. Naučna je činjenica da je od svih krivulja koje povezuju bilo koje dvije tačke gravitacionog znoja, vrijeme pada cikloide najkraće. O ovom zanimljivom pitanju možete razgovarati na jednom od časova fizike. Možda će ovo ostaviti po strani jednu od strašnih stranica.
