Konkurs Mały odkrywca

Transkrypt

1 Konkurs Mały odkrywca Etap II - Równowaga, bezwładność, ruch Równowaga ciał Ze słowem równowaga spotykamy się w życiu codziennym. Słowo to oznacza również ważne pojęcie fizyczne. Spróbujmy zbadać dokładniej równowagę mechaniczną. Na początek potrzebna będzie plastelina i okrągłe, plastikowe pudełko, np. od kremu lub pasty do czyszczenia naczyń. Wysokość pudełka powinna wynosić około połowy jego średnicy. Pudełko ustawiamy na stole, tak żeby blatu stołu dotykała jego cylindryczna powierzchnia. Popychamy lekko pudełko palcem i obserwujemy jego zachowanie. W jakiej pozycji zatrzymuje się pudełko? Widzimy, że pudełko zatrzymuje się w różnych przypadkowych położeniach. Taki stan równowagi pudełka nazywamy obojętnym. Następnie otwieramy pudełko. Z plasteliny formujemy kulkę o średnicy około 3 cm i przyklejamy ją do wewnętrznej powierzchni pudełka (rys. 1). Zamykamy pudełko, ustawiamy je na stole podobnie jak poprzednio i popychamy lekko palcem. Obserwujemy zachowanie się pudełka. W jakiej pozycji teraz zatrzymuje się pudełko? Zauważamy, że popchnięte pudełko wykonuje kilka wahnięć w prawo i w lewo, a następnie zatrzymuje się zawsze w tej samej pozycji. Czy pozycja ta ma związek z położeniem kawałka plasteliny wewnątrz pudełka? Żeby to ustalić, po zatrzymaniu się pudełka przytrzymujemy je palcami jednej ręki, a drugą ręką zdejmujemy pokrywkę. Widzimy, że pudełko zatrzymało się w pozycji, w której plastelina zajmuje najniższe położenie. Taki stan równowagi pudełka nazywamy równowagą trwałą. W tym stanie pudełko zawsze zajmuje tę samą pozycję. Wykonajmy jeszcze jedno doświadczenie z naszym pudełkiem. Otwarte pudełko ustawiamy na stole tak, żeby stołu dotykała cylindryczna powierzchnia, a plastelina zajmowała najwyższe położenie (rys. 2). Wykonanie tej czynności może wymagać trochę cierpliwości lub bardziej symetrycznego uformowania plasteliny. Po ustawieniu pudełka wychylamy je z tej pozycji przez lekkie popchnięcie palcami. Co zauważamy tym razem? Okazuje się, że pudełko nie wraca do położenia z usytuowaniem plasteliny w najwyższej pozycji, ale wykonuje szybki obrót i po kilku wahnięciach zajmuje pozycję z najniższym usytuowaniem plasteliny. Stan pudełka z najwyższym usytuowaniem plasteliny nazywamy stanem równowagi chwiejnej. Podsumowując wyniki naszych doświadczeń z pudełkiem, stwierdzamy, że ciało może znajdować się w jednym z trzech stanów równowagi trwałej, obojętnej lub chwiejnej. Zależy to od rozkładu masy ciała względem punktów jego zawieszenia lub podparcia. Ten rozkład wyznacza położenie środka ciężkości, to jest punktu związanego z ciałem, przez który przechodzi wypadkowa siła ciężkości działająca na cząstki tego ciała. Jeżeli środek ciężkości będzie znajdował się możliwie nisko względem punktów podparcia lub poniżej punktów zawieszenia ciała, to będzie ono w równowadze trwałej. Gdy zaś rzut środka ciężkości znajdzie się poza powierzchnią wyznaczoną przez punkty podparcia ciała lub środek ciężkości będzie powyżej punktu zawieszenia ciała, to ciało będzie w równowadze chwiejnej lub nietrwałej. Równowaga obojętna wystąpi wówczas, gdy środek ciężkości będzie pokrywał

2 Wańka wstańka Stan równowagi ciała ma ważne znaczenie praktyczne. Dla przykładu konstruktorzy samochodów, dążą do maksymalnego obniżenia środka ciężkości. Koncentracja masy poniżej punktów podparcia została wykorzystana w wielu pomysłowych zabawkach Jedną z takich zabawek warto spróbować wykonać samodzielnie. Wystarczy do tego celu plastelina i niewielki ciężarek o masie g, który można zastąpić kilkoma dużymi nakrętkami. Z plasteliny formujemy trzy kulki o coraz większych średnicach. Najmniejsza z nich powinna mieć średnicę około 1,5 cm, średnia około 3 cm, a największa w przybliżeniu 5 cm. Wewnątrz największej kulki umieszczamy ciężarek lub nakrętki. Przedmioty te powinny znajdować się tuż pod powierzchnią kulki. Następnie kulki sklejamy, tak żeby utworzyć figurę przypominającą bałwana (rys. 3). Bardzo atrakcyjną zabawkę możemy wykonać małym nakładem sił, dysponując kapsułką od Kinder-niespodzianki i metalową lub drewnianą kulką o średnicy około 25 mm W ostateczności możemy posłużyć się kulką plastelinową. Kulkę wkładamy do kapsułki i zamykamy ją. Obserwujemy, że kapsułka, podobnie jak wańka-wstańka, dąży do zajęcia pionowej pozycji. Zbudujemy pochyły tor z rynienką można wykorzystać dwie linijki, ustawione do siebie prostopadle i sklejone wzdłuż taśmą klejącą. Mając gotowy tor, ustawiamy na jego szczycie kapsułkę i puszczamy swobodnie. Obserwujemy niecodzienne zjawisko. Kapsułka fikając koziołki schodzi wzdłuż toru Środek ciężkości (masy) ciała Materiały: szczotka do zamiatania, stalowe śruby pełniące rolę obciążnika, klejąca taśma malarska, widelec, łyżka,wykałaczka lub patyk do szaszłyka albo zapałka, szklanka Przebieg doświadczenia: Szczotkę opieramy na dwóch palcach i zbliżamy je do siebie. Palce za każdym razem spotykają się w tym samym punkcie zwanym środkiem ciężkości. Do górnego końca szczotki przyczepimy obciążnik (stalowe śruby) i powtarzamy poprzednią czynność. Po zmianie położenia obciążnika, zbliżające się palce spotykają się w innym miejscu. Łączymy łyżkę z widelcem i do widelca dodatkowo wkładamy zapałkę lub wykałaczkę, odpowiednio ją ustawiając. Metodą prób i błędów opieramy zapałkę na szklance tak, aby cała bryła była w równowadze. Wyjaśnienie: Środek masy ciała lub układu ciał jest to punkt mający masę całego ciała, zastępujący cały układ, czyli wtedy ciało można tak traktować tak, jakby cała masa była skupiona w jednym punkcie. W jednorodnym polu grawitacyjnym środek masy pokrywa się z środkiem ciężkości ciała, czyli z punktem do którego przyłożona jest wypadkowa siła ciężkości działająca na ciało. Jeśli oprzemy ciało w środku ciężkości (masy) to ciało jest w stanie równowagi, ponieważ względem tego punktu nie działa żadem moment siły.

3 Jeśli szczotkę opieramy na dwóch palcach i zbliżamy je do siebie, to na palec, na który działa mniejsza siła nacisku, działa też mniejsza siła tarcia i ten palec się zbliża do środka ciężkości, aż oba palce spotykają się w środku ciężkości. Środek ciężkości (masy) zależy od wartości mas poszczególnych części ciała i rozkładu masy tych części. Dlatego gdy przyczepiliśmy do górnego końca szczotki obciążnik, to położenie środka ciężkości się zmieniło. Po zmianie położenia obciążnika środek ciężkości również jest w innym miejscu ponieważ zmienia się rozmieszczenie części składowych bryły. Środek ciężkości (masy) wcale nie musi zawierać się w bryle, ale może być poza nią. Bryła złożona z połączonej łyżki z widelcem ma środek ciężkości poza tą bryłą w punkcie podparcia zapałki na szklance. ( Bezwładność Bezwładność powietrza Materiały: cienka drewniana listewka, młotek, gazeta. stół Przebieg doświadczenia: Cienką listewkę kładziemy na stole tak, aby jej część wystawała poza krawędź stołu i. Listewka obracając się leci do przodu. Ponownie tak samo kładziemy listewkę na stole i przykrywamy część listewki leżącą na stole gazetą. Jeśli powoli ręką naciskamy na wystający koniec listewki to listewka razem z gazetą z łatwością podnosi się do góry. Następnie uderzamy silnie młotkiem w wystający koniec listewki. Listewka ulega złamaniu, a gazeta pozostaje nieporuszona. Wyjaśnienie: Eksperyment ten można tłumaczyć bezwładnością powietrza, które po uderzeniu chce pozostać nadal w spoczynku. Bezwładność jest to cecha ciał powodująca, że ciało chce zachować swój stan ruchu, czyli jeśli spoczywa, to nadal chce spoczywać, a jak się porusza, to chce się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Jeśli powoli ręką naciskamy na wystający koniec listewki to zmiana pędu jest mała, siły oporu powietrza są wtedy znikome i listewka z gazetą bez problemów podnosi się do góry. Uwagi do wykonania: uderzeniu musi być silne i celne czyli na koniec listewki i młotek powinien spadać pionowo z góry Bezwładność jajka czyli jak rozróżnić jajko surowe od ugotowanego? Materiały: dwa jajka, jedno surowe drugie gotowane Przebieg doświadczenia: Bierzemy dwa jajka: surowe i gotowane. Wprawiamy w ruch obrotowy jajko surowe. Kręci się ono wolno i szybko się zatrzymuje. Robimy to samo z jajkiem gotowanym, które kręci się szybciej i dłużej. Wyjaśnienie: Obracając jajko ugotowane nadajemy ruch całemu jajku. Jeśli zakręcimy jajko surowe to nadajemy ruch tylko skorupce, płynne wnętrze nadal chce pozostać w spoczynku czyli jest bezwładne. Jajko to porusza się krócej bowiem wnętrze jajka w wyniku działania sił lepkości wyhamowuje ruch skorupki. Bezwładność jest to cecha ciał powodująca, że ciało chce zachować swój stan ruchy, czyli jeśli się porusza to nadal chce się poruszać, jeśli spoczywa to nadal chce spoczywać. Bezwładność płomienia świeczki Materiały: tekturka lub sztywna kartka A4, świeczka, plastikowa butelka, nożyczki, zapałki Przebieg doświadczenia: Do leżącej na stole tekturki przyklejamy zapaloną świeczkę (kapiemy na tekturkę stopiony wosk i przykładamy świeczkę). Gdy szybkim ruchem poruszamy po stole tekturką ze świeczką w jedną stroną i z powrotem, to płomień świeczki odchyla się przeciwnie do zwrotu prędkości. Przykrywamy świeczkę plastikową osłoną w kształcie cylindra, wyciętą z butelki po napojach i przyczepiamy ją za pomocą taśmy klejącej do tekturki. Podczas szybkich ruchów tekturki płomień świeczki tym razem odchyla się lekko zgodnie ze zwrotem prędkości. Wyjaśnienie: Płomień nieosłoniętej świeczki odchyla się przeciwnie do zwrotu prędkości, ponieważ powietrze otaczające płomień ma większą gęstość od płomienia, a więc i większą bezwładność. Bezwładność jest to cecha ciał wynikająca z pierwszej zasady dynamiki powodująca, że cało chce

4 zachować swój stan ruchu, czyli jeśli spoczywa to nadal chce spoczywać, jeśli się porusza to nadal chce się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Miarą bezwładności jest masa. Gdy przykryjemy świeczkę plastikową osłoną w kształcie cylindra, to poruszający się cylinder nadaje ruch powietrzu wewnątrz osłony i całość porusza się do przodu. Bezwładne jajko Materiały: kubek lub szklanka, tekturka lub karta do gry, moneta, ugotowane jajko, kartka A4, taśma klejąca Przebieg doświadczenia: Na ogół bezwładność ciał pokazuje się kładąc na szklance lub kubku kartę do gry lub tekturkę, a na niej monetę. Gdy gwałtownie pociągniemy za tekturkę moneta spada do szklanki. Taki eksperyment nazywany jest często "Leniwa moneta". Wykonamy inne, bardziej widowiskowe doświadczenie. Nalewamy do szklanki połowę wody. Na szklance kładziemy tekturkę, na niej wykonaną z kartki A4 cienką rurkę, a na szczycie rurki stawiamy ugotowane jajko. Gwałtownie pociągamy za tekturkę. Jajko wpada do szklanki z wodą ale nie od razu. Przez moment zachowuje swoje położenie, a następnie spada do szklanki. Wyjaśnienie: Bezwładność jest to cecha ciał wynikająca z pierwszej zasady dynamiki powodująca, że cało chce zachować swój stan ruchu, czyli jeśli spoczywa to nadal chce spoczywać, jeśli się porusza to nadal chce się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Po usunięciu tekturki moneta i jajko przez moment zachowują swoje położenie, ponieważ są bezwładne, a następnie spadają pod wpływem siły grawitacji. Co ciekawe po usunięciu tekturki nie ma siły wzajemnego nacisku i do momentu kontaktu z podłożem moneta i jajko są w stanie nieważkości. RUCH Turbina wiatrowa z plastikowych butelek Materiały: cztery duże plastikowe butelki po napojach, kombinerki, gwóźdź, nożyczki, śruby z nakrętkami, dwie listewki, gwoździe, młotek, łożysko kulkowe, metalowa rura, drewniany trzonek Przebieg doświadczenia: W czterech plastikowych butelkach po napoju wycinamy duże otwory. Na środku dna butelek rozgrzanym gwoździem wykonujemy dziurki, aby przeszły przez nie śruby. Z dwóch listewek wykonujemy krzyżak i na końcach listewek wywiercamy otwory. Do listewek przykręcamy za pomocą śrub przygotowane wcześniej butelki. Butelki ustawiamy tak, aby otwory były na obwodzie okręgu jeden za drugim. Krzyżak z butelkami przykręcamy do łożyska i osadzamy je na metalowej rurze. Stawiamy turbinę na odkrytym terenie gdy wieje wiatr i turbina się obraca niezależnie od kierunku wiatru. Wyjaśnienie: Gdy wiatr napotyka na dziurę w butelce to napiera na wklęsłe ścianki butelki i działająca siła nadaje butelce ruch. Jeśli wiatr natrafi na powierzchnie kulistą butelki to opływa ją i nacisk wiatru jest bardzo mały. Turbina więc się obraca zawsze w tą samą stronę niezależnie od kierunku wiatru. Następuje tutaj zamiana energii kinetycznej wiatru na energię kinetyczna ruchu obrotowego turbiny. ( Jojo - zasada zachowania energii Materiały: zabawka jojo Przebieg doświadczenia: Jojo to zabawka składająca się ze szpulki z nawiniętą w środku nitką. Trzymamy nitkę i puszczamy szpulkę. Jojo opada w dół wykonując ruch obrotowy, a następnie wznosi się. W dolnym punkcie lekko szarpiemy nitkę do góry. Wyjaśnienie: Korzystamy z zasady zachowania energii mechanicznej: "W układzie izolowanym całkowita energia mechaniczna jest stała". U góry jojo posiada energię potencjalną ciężkości. Opadając maleje energia potencjalna, a rośnie energia kinetyczna ruchu obrotowego. Na dole energia kinetyczna ma wartość maksymalną. Następnie jojo wznosi się do góry, maleje wtedy energia kinetyczna, a rośnie potencjalna ciężkości. Aby skompensować straty energii wynikające z działania sił oporu w dolnym punkcie należy delikatnie szarpnąć nitkę do góry, dostarczając porcje energii. Warto zauważyć, że jojo nie obraca się w płaszczyźnie poziomej, lecz wykonuje ruch obrotowy w

5 jednej płaszczyźnie, co wynika z zasady zachowania momentu pędu. Poduszkowiec Materiały: balon, płyta CD, korek od płynu do naczyń, kawałek plasteliny Przebieg doświadczenia: Do płyty kompaktowej przyklejamy korek od płynu do naczyń używając plasteliny. Nadmuchujemy balon i zakładamy go na zamknięty korek. Po otwarciu korka z balonu powoli uchodzi powietrze. Stawiamy poduszkowiec na ławce. Porusza się on praktyczne bez tarcia. Wyjaśnienie: Przez dziurkę na środku płyty, wylatuje powietrze z balonu. Dostaje się ono pod płytę i między płytą a stołem tworzy się cienka poduszka z powietrza. Dzięki "poduszce" płyta prawie nie dotyka podłoża, przez co tarcie jest minimalne. Jeśli słabiej otworzymy korek to mniej powietrza wylatuje pod płytę i jest trochę większe tarcie ale za to poduszkowiec porusza się dłużej. Jazda pod górę Materiały: bryła składająca się z dwóch stożków mających wspólną podstawę - wykonana ze sztywnego papieru sklejonego taśmą, listewki, taśma klejąca, dwa drewniane klocki Przebieg doświadczenia: Z kartonu wykonujemy bryłę składającą się z dwóch stożków mających wspólną podstawę. Dwie listewki łączymy w jednym końcu taśmą klejącą. Drugie końce listewki rozstawiamy w dość dużej odległości od siebie i doklejamy do nich drewniane klocki aby mogły stać wyżej. Powstaje w ten sposób zwężająca się równia pochyła. Obok stawiamy poziomicę aby nie było wątpliwości, że stół ustawiony jest poziomo. Po umieszczeniu naszej bryły na równi toczy się ona w stronę krawędzi położonych wyżej. Jeśli zmniejszymy kąt rozwarcia listewek to stożkowata bryła stacza się w drugą stronę. Wyjaśnienie: Z zasady zachowania energii wynika, że całkowita energia mechaniczna ciała nie uległa zmianie, co najwyżej może się zamienić na inną formę energii, ale nigdy nie wzrośnie bez dostarczenia energii z zewnątrz. Stąd każde ciało samorzutnie bez dodatkowej energii zsuwa się z wyższego położenia do niższego. W przypadku bryły musimy obserwować wysokość środka masy (ciężkości). Rozpatrzmy dwa położenia naszej bryły. Gdy położymy ją tuż przy łączeniu listewek to opiera się ona prawie na środku, gdzie jest bardzo gruba i środek masy jest wysoko. Jeśli znajdzie się ona w okolicy rozwartych końców listewek to opiera się na swoich zwężonych końcach i środek masy znajduje się nisko. Staczanie odbywa się więc od położenia, gdy środek ciężkości jest wyżej, do położenia, gdy środek ciężkości jest niżej, natomiast pochyłe listewki wprowadzają nas w błąd, sugerujący ruch zgodnie z nachyleniem listewek. Paradoks jest więc rozwiązany. Eksperyment można pokazywać jako czarodziejską sztuczkę. Jeśli kąt rozwarcia jest mały to bryła opiera się bardzo blisko środka i rozwarcie listewek niewiele zmienia położenie środka masy. ( Model wirówki Materiały: : butelka plastikowa, dwa sznurki, plastikowe wieko, linijka, cyrkiel Przebieg doświadczenia: Od plastikowej butelki odcinamy górną część zostawiając około 10 cm od dołu. W tak powstałym pojemniku, odległości około 2.5 cm od góry robimy naprzeciw siebie otwory, przez które przeprowadzamy i zawiązujemy sznurek. Na środku powstałego uchwytu zawiązujemy sznurek o długości pozwalającej na zataczanie pojemnikiem szerokich kręgów. Plastikowym wieku robimy gęsto małe dziury, a następnie wkładamy wieko do pojemnika w odległości około 1 cm od dna. Chusteczkę moczymy w wodzie i kładziemy ją na wieku. Uchwyt ze sznurków bierzemy w ręce i zaczynamy kręcić nim energicznymi ruchami. Po kilku chwilach wyciągamy lekko podsuszoną chusteczkę, a w butelce pozostaje sporo wody. Wyjaśnienie: Na ciało poruszające się po okręgu działa siła odśrodkowa zwrócona na zewnątrz okręgu więc ciała chcą odsuwać się jak najdalej od osi obrotu. Chusteczka jest zatrzymywana przez plastikowe wieko z dziurkami, a woda przez dziurki przedostaje się na sam koniec butelki. W taki sposób działa wirówka w pralce. Oczywiście nasza wirówka wykonuje jedynie kilkadziesiąt obrotów na minutą, natomiast w pralce bęben obraca się od 400 do 1200 razy na minutę. Proszę się więc nie

6 dziwić, że chusteczka jest nadal mokra, ale woda już z niej nie kapie. Odrzutowy samochodzik - zjawisko odrzutu Materiały: gumowy balonik, samochodzik (zabawka), słomka do napoju, taśma klejąca Przebieg doświadczenia: Nadmuchujemy gumowy balonik i puszczamy go. Balonik wykonuje gwałtowne ruchy a jego lot jest niestabilny. Do samochodzika - zabawki doklejamy za pomocą taśmy klejącej rurkę od napojów i gumką przyczepiamy balonik. Nadmuchujemy balonik. Następnie kładziemy zabawkę na stole i puszczamy. Powietrze wylatuje z balonika, a samochodzik porusza się w przeciwną stronę niż wylatujące powietrze. Wyjaśnienie: W nadmuchanym baloniku panuje duże ciśnienie. Powietrze wylatując z balonika działa na balonik dużą siłą, nadając mu ruch. Spełniona test tutaj zasada zachowania pędu, która stwierdza, że całkowity pęd układu zamkniętego jest stały. Skoro powietrze wylatując nabywa pęd w jedną stronę to samochodzik musi uzyskać pęd w stronę przeciwną. Na co dzień nie używa się samochodów odrzutowych, ale co ciekawe rekordy prędkości pojazdów na lądzie należą właśnie do specjalnie skonstruowanych samochodów z silnikiem odrzutowym. PRZEKAZYWANIE RUCHU Wahadło Newtona piłeczki pingpongowe, nici, kij od szczotki Zawieś na kiju na tej samej wysokości 8 piłeczek. Zobaczcie że stykają się ze sobą [ważne by były blisko siebie, wszystkie zawieszone w jednej linii]. Puść pierwszą piłeczkę, obserwuj co się stanie... [najlepiej wykonać kila pokazów, za pierwszym razem trudno dostrzec wszystko od razu]. Co się stało?... Dlaczego ostatnia piłeczka odskoczyła jako pierwsza?... Gdy jedna kulka jest odchylona i spada z powrotem, inna kulka na drugim końcu wybije się na tą samą odległość. Jeśli odchylimy i puścimy 2 kulki z jednej strony z przeciwnej strony wybiją się 2 kulki. Ruch powietrza Materiały suszarka do włosów, piłeczka pingpongowa lub balon Wykonanie doświadczenia