Wyścigi piłek
Tym razem proponuję zrobić proste, ale skuteczne urządzenie na lekcje fizyki. Będzie to wyścig z piłką. Kolejną zaletą projektu toru jest to, że wisi na ścianie, nie zajmując dużo miejsca i jest zawsze gotowy do popisania się wrażeniami z wyścigów. Trzy kule startują jednocześnie z punktów znajdujących się na tej samej wysokości. Pomoże nam w tym specjalnie zaprojektowana rakieta nośna. Kule będą biegać po trzech różnych torach.
Urządzenie wygląda jak tablica wisząca na ścianie. Do planszy przyklejone są trzy przezroczyste rurki, po których będą się poruszały kulki. Pierwszy pasek jest najkrótszy i ma kształt konwencjonalnej pochylonej płaszczyzny. Drugi to segment koła. Trzecie pasmo ma postać fragmentu cykloidy. Wszyscy wiedzą, czym jest krąg, ale nie wiedzą, jak wygląda i skąd pochodzi cykloida. Przypomnę, że cykloida to krzywa narysowana przez stały punkt na okręgu, tocząca się po linii prostej bez poślizgu.
Wyobraźmy sobie, że umieszczamy białą kropkę na oponie roweru i prosimy kogoś, aby pchał rower lub jechał bardzo powoli po linii prostej, ale na razie będziemy obserwować ruch kropki. Ścieżka punktu dołączonego do autobusu otoczy cykloidę. Nie musisz robić tego eksperymentu, ponieważ na rysunku widzimy już cykloidę naniesioną na mapę i wszystkie tory, po których biegną kule. Aby być uczciwym w punkcie wyjścia, zbudujemy prosty rozrusznik dźwigniowy, który równomiernie uruchomi wszystkie trzy kule. Pociągając za dźwignię, kule uderzają jednocześnie w drogę.
Zwykle nasza intuicja podpowiada nam, że piłka, która podąża najbardziej bezpośrednią drogą, czyli po nachylonej płaszczyźnie, będzie najszybsza i wygra. Ale ani fizyka, ani życie nie są takie proste. Przekonaj się sam, montując to eksperymentalne urządzenie. Kto pracować. Materiały. Prostokątny kawałek sklejki o wymiarach 600 na 400 milimetrów lub tablica korkowa tego samego rozmiaru lub mniej niż dwa metry z przezroczystej plastikowej rury o średnicy 10 milimetrów, blacha aluminiowa o grubości 1 milimetra, drut o średnicy 2 milimetrów. , trzy identyczne kule, które muszą swobodnie poruszać się w rurkach. Możesz użyć pękniętych stalowych kulek łożyskowych, śrutu ołowianego lub kulek do strzelby, w zależności od wewnętrznej średnicy rury. Nasze urządzenie zawiesimy na ścianie i do tego potrzebujemy dwóch uchwytów, na których zawiesimy zdjęcia. Możesz kupić lub zrobić uchwyty z drutu własnymi rękami od nas.
Narzędzia. Piła, ostry nóż, pistolet do klejenia na gorąco, wiertarka, przecinak do blachy, szczypce, ołówek, dziurkacz, wiertarka, pilnik do drewna i dremel, co bardzo ułatwia pracę. Baza. Na papierze narysujemy przewidywane trzy trasy przejazdu w skali 1:1 zgodnie z rysunkiem w naszym piśmie. Pierwszy jest prosty. Odcinek drugiego koła. Trzecia trasa to cykloidy. Widzimy to na zdjęciu. Poprawny rysunek torów trzeba przerysować na planszy bazowej, abyśmy później wiedzieli, gdzie przykleić rurki, które staną się torami kulek.
tory do piłek. Plastikowe tuby powinny być przezroczyste, widać jak poruszają się w nich nasze kuleczki. Plastikowe rurki są tanie i łatwe do znalezienia w sklepie. Przytniemy wymagane długości rur, około 600 milimetrów, a następnie trochę je skrócimy, dopasowując i przymierzając Twój projekt.
Obsługa startu toru. W drewnianym bloku o wymiarach 80x140x15 milimetrów wywierć trzy otwory o średnicy rur. Otwór, w który wbijamy pierwszy tor, tj. przedstawiające równość, należy przyciąć i uformować tak, jak pokazano na zdjęciu. Faktem jest, że rura nie wygina się pod kątem prostym i jak najbardziej dotyka kształtu płaszczyzny. Sama rura jest również cięta pod kątem, który tworzy. Wklej odpowiednie rurki we wszystkie te otwory w bloku.
ładowanie maszyny. Z blachy aluminiowej o grubości 1 mm wycinamy dwa prostokąty o wymiarach, jak pokazano na rysunku. W pierwszym i drugim wiercimy współosiowo trzy otwory o średnicy 7 milimetrów w takim samym układzie, w jakim wiercono otwory w drewnianym pręcie stanowiącym początek torów. Otwory te będą początkowymi gniazdami dla piłek. W drugiej płytce wywierć otwory o średnicy 12 milimetrów. Przyklej małe prostokątne kawałki blachy do skrajnych krawędzi płyty dolnej oraz do krawędzi płyty górnej z mniejszymi otworami. Zadbajmy o wyrównanie tych elementów. Płytka środkowa o wymiarach 45 x 60 mm musi mieścić się między płytami górną i dolną oraz mieć możliwość przesuwania w celu zakrycia i otwarcia otworów. Małe płytki przyklejone do dolnej i górnej płyty będą ograniczać boczne ruchy płytki środkowej, dzięki czemu może ona poruszać się w lewo iw prawo wraz z ruchem dźwigni. W tej płytce wiercimy widoczny na rysunku otwór, w który zostanie umieszczona dźwignia.
ramię dźwigni. Wyginamy go z drutu o średnicy 2 milimetrów. Drut można łatwo uzyskać, odcinając odcinek 150 mm z wieszaka drucianego. Zwykle taki wieszak dostajemy razem z czystymi ubraniami z prania i staje się on dla naszych potrzeb doskonałym źródłem drutu prostego i grubego. Zegnij jeden koniec drutu pod kątem prostym w odległości 15 milimetrów. Drugi koniec można zabezpieczyć zakładając na niego drewnianą rączkę.
Podpora dźwigni. Wykonana jest z bloku o wymiarach 30x30x35 milimetrów. W środku klocka wiercimy nieprzelotowy otwór o średnicy 2 milimetrów, w którym będzie pracowała końcówka dźwigni. Koniec. W końcu musimy jakoś złapać piłki. Każda gąsienica kończy się uchwytem. Są one potrzebne, abyśmy po każdym etapie gry nie szukali piłek po całej sali. Wykonamy przechwytywanie z kawałka rury o długości 50 mm. Z jednej strony przetnij rurkę pod kątem, aby utworzyć dłuższą ścianę, w którą uderzy piłka, aby zakończyć trasę. Na drugim końcu rurki wytnij szczelinę, w którą umieścimy płytkę zaworu. Płyta nie pozwoli, aby piłka wymknęła się spod kontroli gdziekolwiek. Z drugiej strony, gdy tylko wyciągniemy talerz, sama kulka wpadnie nam w ręce.
Montaż urządzenia. W prawym górnym rogu planszy, na zaznaczonym początku wszystkich torów, przyklejamy nasz drewniany klocek, w którym przyklejaliśmy rurki do podstawy. Przyklej rurki gorącym klejem do deski zgodnie z narysowanymi liniami. Ścieżka cykloidalna znajdująca się najdalej od powierzchni płyty jest podparta wzdłuż średniej długości drewnianym klockiem o wysokości 35 mm.
Przyklej płytki z otworami do bloku wspornika toru górnego, tak aby bezbłędnie pasowały do otworów w drewnianym klocku. Dźwignię wkładamy w otwór płytki centralnej a jedną w obudowę maszyny startowej. Wsuwamy koniec dźwigni w karetkę i teraz możemy zaznaczyć miejsce, w którym karetka ma być przyklejona do deski. Mechanizm musi działać w taki sposób, aby po przekręceniu dźwigni w lewo wszystkie otwory się otworzyły. Zaznacz znalezione miejsce ołówkiem i na koniec przyklej podpórkę gorącym klejem.
zabawa. Na ścianie wieszamy tor wyścigowy i jednocześnie urządzenie naukowe. Kule o tej samej wadze i średnicy są umieszczane na swoich miejscach startowych. Przekręć spust w lewo, a kule zaczną się poruszać w tym samym czasie. Czy myśleliśmy, że najszybszą piłką na mecie będzie ta na najkrótszej 500-milimetrowej torze? Intuicja nas zawiodła. Tutaj tak nie jest. Jest trzecia na mecie. Co zaskakujące, to prawda.
Najszybsza kula to ta, która porusza się po torze cykloidalnym, chociaż jej droga wynosi 550 milimetrów, a druga to ta, która porusza się po odcinku koła. Jak to się stało, że w punkcie startowym wszystkie kulki miały taką samą prędkość? Dla wszystkich piłek tę samą różnicę energii potencjalnej zamieniono na energię kinetyczną. Nauka powie nam, skąd bierze się różnica w czasach zakończenia.
Wyjaśnia to zachowanie piłek przyczynami dynamicznymi. Na kulki działają pewne siły, zwane siłami reakcji, działające na kulki od strony torów. Pozioma składowa siły reakcji jest średnio największa dla cykloidy. Powoduje to również największe średnie przyspieszenie poziome tej piłki. Jest faktem naukowym, że ze wszystkich krzywych łączących dowolne dwa punkty potu grawitacyjnego, czas opadania cykloidy jest najkrótszy. Możesz omówić to interesujące pytanie na jednej z lekcji fizyki. Być może odłoży to na bok jedną z okropnych stron.
