Pallokilpailut
Tällä kertaa ehdotan, että teet yksinkertaisen mutta tehokkaan laitteen fysiikan luokkahuoneeseen. Siitä tulee pallokilpailu. Toinen ratasuunnittelun etu on, että se roikkuu seinällä viemättä paljon tilaa ja on aina valmis esittelemään kilpailukokemusta. Kolme palloa alkaa samanaikaisesti pisteistä, jotka sijaitsevat samalla korkeudella. Erityisesti suunniteltu kantoraketti auttaa meitä tässä. Pallot kulkevat kolmea eri polkua pitkin.
Laite näyttää seinällä roikkuvalta laudalta. Lautaan on liimattu kolme läpinäkyvää putkea, joita pitkin pallot liikkuvat. Ensimmäinen kaistale on lyhin ja muodoltaan tavanomainen kalteva taso. Toinen on ympyrän segmentti. Kolmas vyöhyke on sykloidin fragmentin muodossa. Kaikki tietävät, mikä ympyrä on, mutta he eivät tiedä miltä se näyttää ja mistä sykloidi tulee. Muistutan, että sykloidi on käyrä, jonka piirtää kiinteä piste ympyrää pitkin ja joka vierii suoraa linjaa pitkin liukumatta.
Kuvitellaan, että laitamme valkoisen pisteen polkupyörän renkaaseen ja pyydämme jotakuta työntämään pyörää tai ajamaan sillä hyvin hitaasti suoraa, mutta toistaiseksi tarkkailemme pisteen liikettä. Väylään kiinnitetyn pisteen polku ympäröi sykloidia. Sinun ei tarvitse tehdä tätä koetta, koska kuvassa näkyy jo karttaan piirretty sykloidi ja kaikki palloille tarkoitetut kaistat. Ollaksemme oikeudenmukainen lähtökohdan suhteen, rakennamme yksinkertaisen vipukäynnistimen, joka käynnistää kaikki kolme palloa tasaisesti. Vipua vetämällä pallot osuivat tielle samaan aikaan.
Yleensä intuitiomme kertoo meille, että pallo, joka seuraa suoriinta polkua, eli kaltevaa tasoa, on nopein ja voittaa. Mutta fysiikka tai elämä ei ole niin yksinkertaista. Katso itse kokoamalla tämä kokeellinen laite. Kenelle töihin. Materiaalit. Suorakaiteen muotoinen vaneripala, jonka mitat ovat 600 x 400 mm, tai samankokoinen korkkilevy tai alle kaksi metriä läpinäkyvää muoviputkea, jonka halkaisija on 10 mm, alumiinilevyä 1 mm paksu, lankaa halkaisijaltaan 2 mm. , kolme identtistä palloa, joiden täytyy liikkua vapaasti putkien sisällä. Voit käyttää rikkoutuneita laakeroituja teräspalloja, lyijyhaulikkeita tai haulikkokuulia putken sisähalkaisijan mukaan. Riputamme laitteemme seinälle ja tätä varten tarvitsemme kaksi pidikettä, joihin ripustaa kuvia. Meiltä voit ostaa tai valmistaa lankakahvat omin käsin.
Työkalut. Saha, terävä veitsi, kuumaliimapistooli, porakone, peltileikkuri, pihdit, lyijykynä, rei'itin, pora, puuviila ja dremeli, mikä tekee työstä erittäin helppoa. Pohja. Paperille piirrämme ennustetut kolme matkareittiä asteikolla 1:1 kirjeemme piirustuksen mukaan. Ensimmäinen on suora. Toisen ympyrän segmentti. Kolmas reitti on sykloidit. Voimme nähdä sen kuvassa. Pohjalevyyn pitää piirtää oikea telojen piirustus, jotta tiedämme myöhemmin mihin liimaa putket, joista tulee pallojen uria.
Palloradat. Muoviputkien tulee olla läpinäkyviä, näet kuinka pallomme liikkuvat niissä. Muoviputket ovat halpoja ja niitä on helppo löytää kaupasta. Leikkaamme tarvittavat putket, noin 600 mm, ja sitten lyhennämme niitä hieman, sovitamme ja kokeilemme projektiisi.
Radan aloitustuki. Poraa kolme reikää, joiden halkaisija on 80x140x15 millimetriä. Reikä, johon työnnämme ensimmäisen raidan, ts. tasaisuutta kuvaava, on sahattu ja muotoiltava kuvan osoittamalla tavalla. Tosiasia on, että putki ei taivu suorassa kulmassa ja koskettaa tason muotoa mahdollisimman paljon. Myös itse putki leikataan sen muodostamassa kulmassa. Liimaa sopivat putket kaikkiin näihin lohkon reikiin.
lastauskone. 1 mm paksuisesta alumiinilevystä leikkasimme kaksi suorakulmiota, joiden mitat ovat piirustuksen mukaisesti. Ensimmäisessä ja toisessa poraamme koaksiaalisesti kolme halkaisijaltaan 7 millimetriä reikää samalla järjestelyllä kuin reiät porattiin puupalkkiin, joka muodostaa telojen alun. Nämä reiät ovat pallojen aloituspesät. Poraa reikiä toiseen levyyn, jonka halkaisija on 12 millimetriä. Liimaa pienet suorakaiteen muotoiset peltipalat pohjalevyn äärireunoihin ja ylälevyn niihin pienempiin reikiin. Huolehditaan näiden elementtien kohdistamisesta. 45 x 60 mm:n keskilevyn on mahduttava ylä- ja alalevyjen väliin ja pystyttävä liukumaan peittämään ja avaamaan reikiä. Pohja- ja ylälevyihin liimatut pienet laatat rajoittavat keskilevyn sivuttaisliikettä niin, että se voi liikkua vasemmalle ja oikealle vivun liikkeellä. Poraamme tähän levyyn piirustuksessa näkyvän reiän, johon vipu asetetaan.
vipu. Taivutamme sen langasta, jonka halkaisija on 2 millimetriä. Lanka on helppo hankkia leikkaamalla 150 mm:n pituus vaijeriripustimesta. Yleensä saamme tällaisen ripustimen puhtaiden vaatteiden mukana pesusta, ja siitä tulee erinomainen suoran ja paksun langan lähde tarkoituksiinmme. Taivuta langan toista päätä suorassa kulmassa 15 millimetrin etäisyydellä. Toinen pää voidaan kiinnittää asettamalla siihen puinen kahva.
Vivun tuki. Se on valmistettu lohkosta, jonka mitat ovat 30x30x35 millimetriä. Lohkon keskelle poraamme halkaisijaltaan 2 millimetrin sokean reiän, jossa vivun kärki toimii. Loppu. Lopuksi meidän täytyy jotenkin saada pallot kiinni. Jokainen toukka päättyy kahvaan. Niitä tarvitaan, jotta emme etsi palloja koko huoneesta jokaisen pelivaiheen jälkeen. Teemme kiinnityksen 50 mm putkenpalasta. Leikkaa putki toiselta puolelta vinosti luodaksesi pidemmän seinän, johon pallo osuu reitin loppuunsaattamiseksi. Leikkaa putken toiseen päähän rako, johon asetamme venttiililevyn. Levy ei anna pallon pudota hallinnasta missään. Toisaalta heti kun vedämme lautasen ulos, itse pallo putoaa käsiimme.
Laitteen asennus. Liimaa laudan oikeaan yläkulmaan kaikkien raitojen merkittyyn alkuun puupalikkamme, johon liimasimme putket alustaan. Liimaa putket kuumaliimalla levylle piirrettyjen viivojen mukaan. Laatan pinnasta kauimpana oleva sykloidinen polku on tuettu keskipituudellaan 35 mm korkealla puupalkilla.
Liimaa reikälevyt ylempään kiskon tukikappaleeseen niin, että ne sopivat virheetön puupalkan reikiin. Asetamme vivun keskilevyn reikään ja yhden käynnistyskoneen koteloon. Asetamme vivun pään vaunuun ja nyt voimme merkitä paikan, johon vaunu tulee liimata laudalle. Mekanismin tulee toimia siten, että kun vipua käännetään vasemmalle, kaikki reiät aukeavat. Merkitse löydetty paikka lyijykynällä ja lopuksi liimaa tuki kuumaliimalla.
hauska. Riputamme kilparadan ja samalla tieteellisen laitteen seinälle. Samanpainoiset ja halkaisijaltaan samanlaiset pallot asetetaan lähtöpaikoilleen. Käännä liipaisinta vasemmalle ja pallot alkavat liikkua samaan aikaan. Ajattelimmeko, että maaliviivan nopein pallo olisi lyhimmällä 500 mm radalla oleva pallo? Intuitiomme petti meidät. Tässä se ei ole niin. Hän on maaliviivalla kolmas. Yllättäen se on totta.
Nopein pallo on se, joka liikkuu sykloidista polkua pitkin, vaikka sen rata on 550 millimetriä, ja toinen on se, joka liikkuu ympyrän segmenttiä pitkin. Miten kävi niin, että lähtöpisteessä kaikilla palloilla oli sama nopeus? Kaikille palloille sama potentiaalienergia-ero muutettiin liikeenergiaksi. Tiede kertoo meille, mistä maalien erot johtuvat.
Hän selittää tämän pallojen käyttäytymisen dynaamisilla syillä. Palloihin kohdistuu tiettyjä reaktiovoimia, jotka vaikuttavat palloihin telojen sivulta. Reaktiovoiman vaakakomponentti on sykloidilla keskimäärin suurin. Se aiheuttaa myös pallon suurimman keskimääräisen vaakasuuntaisen kiihtyvyyden. On tieteellinen tosiasia, että sykloidin putoamisaika on lyhin kaikista kahdesta gravitaatiohien pisteestä yhdistävistä käyristä. Voit keskustella tästä mielenkiintoisesta kysymyksestä jollakin fysiikan oppitunnilla. Ehkä tämä sivuuttaa yhden kauheimmista sivuista.
