Lenktynės su kamuoliu
Šį kartą siūlau pasigaminti paprastą, bet efektyvų prietaisą fizikos kabinetui. Tai bus kamuoliukų lenktynės. Kitas trasos dizaino privalumas yra tai, kad ji kabo ant sienos neužimdama daug vietos ir visada pasiruošusi parodyti lenktynių patirtį. Trys rutuliai vienu metu prasideda nuo taškų, esančių tame pačiame aukštyje. Tam mums padės specialiai sukurta raketa. Kamuoliai bėgs trimis skirtingais takais.
Prietaisas atrodo kaip ant sienos kabanti lenta. Prie lentos priklijuoti trys skaidrūs vamzdeliai, takeliai, kuriais judės rutuliai. Pirmoji juostelė yra trumpiausia ir turi taisyklingos pasvirusios plokštumos formą. Antrasis yra apskritimo segmentas. Trečioji juostelė yra cikloido fragmento formos. Visi žino, kas yra ratas, bet nežino, kaip jis atrodo ir iš kur atsiranda cikloidas. Priminsiu, kad cikloidas – tai fiksuoto taško išilgai apskritimo nubrėžta kreivė, kuri rieda neslysdama tiesia linija.
Įsivaizduokime, kad ant dviračio padangos dedame baltą tašką ir paprašome, kad kas nors stumtų dviratį arba važiuotų labai lėtai tiesia linija, bet kol kas stebėsime taško judėjimą. Prie autobuso pritvirtinto taško kelias apjuos cikloidą. Šio eksperimento daryti nereikia, nes paveikslėlyje jau matome žemėlapyje nubraižytą cikloidą ir visas rutuliams bėgti skirtas juostas. Kad būtų teisinga dėl pradinio taško, mes sukursime paprastą svirties starterį, kuris tolygiai paleis visus tris kamuoliukus. Traukiant svirtį kamuoliukai vienu metu trenkėsi į kelią.
Paprastai mūsų intuicija mums sako, kad rutulys, kuris eina tiesiausiu keliu, tai yra pasvirusiąja plokštuma, bus greičiausias ir laimės. Tačiau nei fizika, nei gyvenimas nėra taip paprasta. Įsitikinkite patys surinkę šį eksperimentinį įrenginį. Kam dirbti. Medžiagos. Stačiakampis faneros gabalas, kurio matmenys yra 600 x 400 milimetrų, arba tokio pat dydžio kamštienos lenta arba mažiau nei du metrai permatomo plastikinio vamzdžio, kurio skersmuo 10 milimetrų, aliuminio lakštas 1 milimetro storio, viela 2 milimetrų skersmens. , trys vienodi rutuliai, kurie turi laisvai judėti vamzdžių viduje. Priklausomai nuo vamzdžio vidinio skersmens, galite naudoti sulaužytus guolių plieninius rutulius, švino šratus arba kulkosvaidžio rutulius. Mes pakabinsime savo įrenginį ant sienos ir tam mums reikia dviejų laikiklių, ant kurių pakabinsime paveikslėlius. Pas mus galite nusipirkti arba savo rankomis pasigaminti vielos rankenas.
Įrankiai. Pjūklas, aštrus peilis, karštų klijų pistoletas, grąžtas, lakštinio metalo pjaustytuvas, replės, pieštukas, plaktukas, grąžtas, medinė dildė ir Dremel – tai labai palengvina darbą. Bazė. Popieriuje pagal mūsų laiško piešinį nubraižysime numatytus tris kelionės maršrutus masteliu 1:1. Pirmasis yra tiesus. Antrojo apskritimo atkarpa. Trečias kelias – cikloidai. Tai matome paveikslėlyje. Ant pagrindo lentos reikia perbraižyti teisingą takelių raštą, kad tada žinotume, kur klijuoti vamzdžius, kurie taps kamuoliukų takeliais.
Rutuliniai takai. Plastikiniai vamzdeliai turi būti skaidrūs, matosi, kaip juose juda mūsų kamuoliukai. Plastikiniai vamzdžiai yra pigūs ir lengvai randami parduotuvėje. Supjaustysime reikiamo ilgio, maždaug 600 milimetrų, vamzdžius, o po to šiek tiek patrumpinsime, sumontuodami ir išbandydami pagal jūsų projektą.
Trasos pradžios palaikymas. Mediniame bloke, kurio matmenys 80x140x15 milimetrų, išgręžkite tris vamzdžių skersmens skyles. Skylė, į kurią įkišame pirmąjį takelį, t.y. vaizduojantis lygumą, turi būti pjautas ir suformuotas taip, kaip parodyta nuotraukoje. Faktas yra tas, kad vamzdis nesilenkia stačiu kampu ir kiek įmanoma labiau liečia plokštumos formą. Pats vamzdis taip pat nupjaunamas jo suformuotu kampu. Į visas šias bloko skylutes įklijuokite atitinkamus vamzdelius.
pakrovimo mašina. Iš 1 mm storio aliuminio lakšto išpjauname du stačiakampius su matmenimis, kaip parodyta brėžinyje. Pirmajame ir antrajame koaksialiai išgręžiame tris 7 milimetrų skersmens skylutes taip pat, kaip buvo išgręžtos medinėje juostoje, kuri yra takelių pradžia. Šios skylės bus pradiniai kamuoliukų lizdai. Antroje plokštėje išgręžkite skylutes, kurių skersmuo yra 12 milimetrų. Priklijuokite mažus stačiakampius lakštinio metalo gabalus prie apatinės plokštės kraštų ir prie viršutinės plokštės su mažesnėmis skylutėmis. Pasirūpinkime šių elementų išlyginimu. 45 x 60 mm centrinė plokštė turi tilpti tarp viršutinės ir apatinės plokščių ir turėti galimybę slysti, kad uždengtų ir atidarytų skyles. Mažos plokštelės, priklijuotos prie apatinės ir viršutinės plokščių, apribos centrinės plokštės šoninį judėjimą, kad judant svirtimi ji galėtų judėti į kairę ir į dešinę. Šioje plokštelėje išgręžiame brėžinyje matomą skylę, į kurią bus įdėta svirtis.
svirtis. Mes jį sulenksime iš 2 milimetrų skersmens vielos. Vielą galima nesunkiai gauti nupjaunant 150 mm atkarpą nuo vielos pakabos. Paprastai tokią kabyklą gauname kartu su švariais drabužiais iš skalbimo ir tai tampa puikiu tiesios ir storos vielos šaltiniu mūsų reikmėms. Vieną laido galą sulenkite stačiu kampu 15 milimetrų atstumu. Kitą galą galima pritvirtinti uždėjus medinę rankeną.
Svirties atrama. Jis pagamintas iš 30x30x35 milimetrų aukščio bloko. Bloko centre išgręžiame 2 milimetrų skersmens aklą skylę, kurioje veiks svirties galas. Pabaiga. Galiausiai turime kažkaip sugauti kamuoliukus. Kiekvienas vikšras baigiasi rankena. Jie reikalingi, kad po kiekvieno žaidimo etapo neieškotume kamuolių po visą kambarį. Užfiksavimą pagaminsime iš 50 mm vamzdžio gabalo. Vienoje pusėje nupjaukite vamzdelį kampu, kad sukurtumėte ilgesnę sieną, į kurią pataikys rutulys, kad užbaigtumėte maršrutą. Kitame vamzdžio gale išpjaukite plyšį, į kurį įstatysime vožtuvo plokštę. Plokštė neleis kamuoliukui kažkur nukristi nekontroliuojamai. Kita vertus, kai tik ištrauksime lėkštę, pats kamuolys pateks į rankas.
Prietaiso montavimas. Viršutiniame dešiniajame lentos kampe, pažymėtoje visų takelių pradžioje, priklijuokite mūsų medinį bloką, kuriame klijavome vamzdelius prie pagrindo. Vamzdelius karštais klijais priklijuokite prie lentos pagal nubrėžtas linijas. Cikloidinis takas, esantis toliausiai nuo plokštės paviršiaus, išilgai vidutinio ilgio yra paremtas 35 mm aukščio mediniu strypu.
Skylių plokštes priklijuokite prie viršutinio takelio atraminio bloko taip, kad jos be klaidų tilptų į medinio bloko skylutes. Svirtį įkišame į centrinės plokštės angą, o vieną – į paleidimo mašinos korpusą. Svirties galą įkišame į vežimą ir dabar galime pažymėti vietą, kur vežimas turi būti priklijuotas prie lentos. Mechanizmas turi veikti taip, kad pasukus svirtį į kairę atsivertų visos skylės. Rastą vietą pažymėkite pieštuku ir galiausiai karštais klijais priklijuokite atramą.
Malonumas. Lenktynių trasą ir tuo pačiu mokslinį prietaisą pakabiname ant sienos. To paties svorio ir skersmens kamuoliukai dedami į jų pradines vietas. Pasukite gaiduką į kairę ir rutuliai pradės judėti tuo pačiu metu. Ar manėme, kad greičiausias rutulys finišo tiesiojoje bus trumpiausioje 500 mm trasoje? Mūsų intuicija mus nuvylė. Čia taip nėra. Ji finišo tiesiojoje yra trečia. Keista, bet tai tiesa.
Greičiausias rutulys yra tas, kuris juda cikloidiniu keliu, nors jo kelias yra 550 milimetrų, o kitas yra tas, kuris juda išilgai apskritimo atkarpos. Kaip atsitiko, kad starto taške visi rutuliai turėjo vienodą greitį? Visiems rutuliams tas pats potencialios energijos skirtumas buvo paverstas kinetine energija. Mokslas mums parodys, iš kur skiriasi finišo laikas.
Tokį kamuoliukų elgesį jis aiškina dinaminėmis priežastimis. Kamuoliukus veikia tam tikros jėgos, vadinamos reakcijos jėgomis, veikiančios rutulius iš takelių pusės. Horizontalusis reakcijos jėgos komponentas yra vidutiniškai didžiausias cikloido atveju. Tai taip pat sukelia didžiausią vidutinį horizontalų to rutulio pagreitį. Mokslinis faktas, kad iš visų kreivių, jungiančių bet kuriuos du gravitacinio prakaito taškus, cikloido kritimo laikas yra trumpiausias. Šį įdomų klausimą galite aptarti vienoje iš fizikos pamokų. Galbūt tai pašalins vieną iš baisių puslapių.
