Bollracing
Den här gången föreslår jag att du gör en enkel men effektiv enhet för ditt fysikklassrum. Det blir ett bolllopp. En annan fördel med bandesignen är att den hänger på väggen utan att ta mycket plats och alltid är redo att visa upp din racingupplevelse. Tre bollar startar samtidigt från punkter som ligger på samma höjd. En specialdesignad startmaskin hjälper oss med detta. Bollarna kommer att löpa längs tre olika banor.
Enheten ser ut som en tavla som hänger på väggen. Tre genomskinliga rör är limmade på brädan, spår längs vilka bollarna kommer att röra sig. Den första randen är den kortaste och har formen av ett vanligt lutande plan. Den andra är ett segment av en cirkel. Den tredje remsan har formen av ett fragment av en cykloid. Alla vet vad en cirkel är, men de vet inte hur den ser ut eller var cykloiden kommer ifrån. Låt mig påminna dig om att en cykloid är en kurva som ritas av en fast punkt längs en cirkel, som rullar utan att glida i en rak linje.
Låt oss föreställa oss att vi sätter en vit prick på ett cykeldäck och ber någon att skjuta cykeln eller köra den väldigt långsamt i en rak linje, medan vi tittar på prickens rörelse. Banan för en punkt kopplad till en buss kommer att omge cykloiden. Du behöver inte göra det här experimentet för på bilden kan vi redan se cykloiden kartlagd och alla spår för bollarna att springa. För att vara rättvis vid startpunkten kommer vi att bygga en enkel spakstartmaskin som säkerställer att alla tre bollarna startar jämnt. Genom att dra i spaken kommer bollarna samtidigt att slå vägen.
Vanligtvis säger vår intuition oss att bollen som följer den rakaste vägen, det vill säga det lutande planet, kommer att vara snabbast och vinna. Men varken fysik eller livet är så enkelt. Se själv genom att bygga denna experimentella enhet. Vilken ska fungera? Material. Ett rektangulärt stycke plywood som mäter 600 gånger 400 millimeter eller en korkskiva av liknande storlek eller mindre än två meter genomskinligt plaströr med en diameter på 10 millimeter, en aluminiumplåt 1 millimeter tjock, en tråd med en diameter på 2 millimeter. , tre identiska bollar som måste röra sig fritt inuti rören. Du kan använda stålkulor från ett trasigt lager, blyhagel eller hagelgevär, beroende på rörets innerdiameter. Vi kommer att hänga upp vår enhet på väggen och för detta behöver vi två hållare som vi kan hänga bilder på. Du kan köpa eller tillverka trådhandtag av oss med dina egna händer.
Verktyg. Såg, vass kniv, limpistol, borr, plåtskärare, tång, penna, borrhammare, borr, vedfil och en Dremel, vilket gör jobbet mycket enkelt. Bas. På papper kommer vi att rita de tre förutsedda resvägarna i skala 1:1 enligt ritningen i vårt brev. Den första är rak. Segment av den andra cirkeln. Den tredje vägen är cykloider. Vi kan se detta på bilden. Rätt mönster på spåren behöver ritas om på bottenplattan, så att vi sedan vet var vi ska limma rören som ska bli spåren till kulorna.
Bollbanor. Plaströren ska vara genomskinliga, du kan se hur våra bollar rör sig i dem. Plaströr är billigt och lätt att köpa i butik. Vi kapar de nödvändiga rörsektionerna, cirka 600 millimeter, och förkortar dem sedan lite, anpassar dem och anpassar dem till ditt projekt.
Stöd för spårstart. I ett träblock som mäter 80x140x15 millimeter, borra tre hål med diametern på rören. Hålet som vi sticker det första spåret i, d.v.s. som visar jämnhet, måste sågas och formas enligt bilden. Faktum är att röret inte böjer sig i rät vinkel och berör planets form så mycket som möjligt. Själva röret är också kapat i den vinkel det gör. Limma in motsvarande rör i alla dessa hål i blocket.
Lastmaskin. Från en aluminiumplåt 1 millimeter tjock, skär ut två rektanglar med dimensioner som visas på ritningen. I första och andra borrar vi tre hål med en diameter på 7 millimeter koaxiellt på samma plats som hålen borrades i träblocket som utgör början av stigarna. Dessa hål kommer att vara startbon för bollarna. Borra hål i den andra plattan med en diameter på 12 millimeter. Limma fast små rektangulära plåtbitar på bottenplattans ytterkanter och på dem på toppplattan med mindre hål. Låt oss ta hand om anpassningen av dessa element. Centralplattan 45 x 60 mm måste passa mellan topp- och bottenplattan och kunna glida för att stänga och öppna hålen. Små plack limmade på botten- och toppplåtarna kommer att begränsa mittplattans rörelse i sidled så att den kan röra sig åt vänster och höger med spakens rörelse. Vi borrar ett hål i denna platta, synligt på ritningen, i vilket spaken kommer att placeras.
hävarm. Vi kommer att böja den från tråd med en diameter på 2 millimeter. Tråden kan enkelt erhållas genom att skära en längd på 150 mm från en trådhängare. Vanligtvis får vi en sådan hängare tillsammans med rena kläder från tvätten, och det blir en utmärkt källa till rak och tjock tråd för våra ändamål. Böj ena änden av tråden i rät vinkel på ett avstånd av 15 millimeter. Den andra änden kan säkras genom att sätta ett trähandtag på den.
Spakstöd. Den är gjord av ett block som mäter 30x30x35 millimeter högt. I mitten av blocket borrar vi ett blindhål med en diameter på 2 millimeter, där spetsen på spaken kommer att fungera. Slutet. Äntligen måste vi fånga bollarna på något sätt. Varje spår avslutas med en gripare. De behövs för att vi inte ska leta efter bollar i hela rummet efter varje skede av spelet. Vi kommer att göra greppet av en 50 mm rörbit. På ena sidan, skär röret i en vinkel för att skapa en längre vägg för bollen att träffa för att slutföra rutten. I den andra änden av röret, skär en slits i vilken vi ska placera ventilplattan. Plattan kommer att förhindra att bollen faller utom kontroll någonstans. Å andra sidan, så fort vi drar ut plattan kommer själva bollen att falla i våra händer.
Installation av enheten. I det övre högra hörnet av brädet, vid den angivna början av alla stigar, limma vårt träblock i vilket vi limmade rören till basen. Varmlimma rören på skivan enligt de ritade linjerna. Det cykloidala spåret längst bort från plattans yta stöds längs sin mittlängd av ett träblock som är 35 millimeter högt.
Limma fast hålplattorna på det översta spårstödsblocket så att de passar snyggt in i hålen i träklossen. Vi sätter in spaken i hålet i centralplattan och en i höljet på utskjutaren. Vi sätter in änden av spaken i vagnen och nu kan du markera platsen där vagnen ska limmas på skivan. Mekanismen måste fungera på ett sådant sätt att alla hål öppnas när spaken vrids åt vänster. Markera platsen du hittar med en penna och lim till sist stödet med varmt lim.
Kul. Vi hänger en racingbana och ett vetenskapligt instrument på väggen samtidigt. Bollar med samma vikt och diameter placeras på sina startplatser. Vrid avtryckarspaken åt vänster och bollarna börjar röra sig samtidigt. Trodde vi att den snabbaste bollen att komma i mål skulle vara den boll som gick det kortaste spåret på 500 mm? Vår intuition svikit oss. Så är inte fallet här. Hon är trea i mål. Överraskande nog är det sant.
Den snabbaste är bollen som rör sig längs en cykloidal bana, även om dess bana är 550 millimeter, och den andra är den som rör sig längs ett segment av en cirkel. Hur kom det sig att alla bollar vid startpunkten hade samma hastighet? För alla bollarna omvandlades samma skillnad i potentiell energi till kinetisk energi. Vetenskapen kommer att berätta för oss var skillnaden i sluttider kommer ifrån.
Han förklarar detta beteende hos bollarna av dynamiska skäl. Kulorna utsätts för vissa krafter, kallade reaktionskrafter, som verkar på kulorna från sidan av spåren. Den horisontella komponenten av reaktionskraften är i genomsnitt störst för cykloiden. Detta orsakar också den största genomsnittliga horisontella accelerationen för den bollen. Det är ett vetenskapligt faktum att av alla kurvor som förbinder två punkter av gravitationssvett, är cykloidens falltid den kortaste. Du kan diskutera denna intressanta fråga i en av fysiklektionerna. Kanske kommer detta att lägga åt sidan en av de hemska sidorna.
