wspólny cel... Trochę mechaniki Zam Kor Juliusz Domański

Transkrypt

1 Trochę mechaniki Juliusz Domański Mechanika jest uznawana przez większość uczniów za najmniej ciekawy dział fizyki. A właśnie od mechaniki bardzo często rozpoczynamy kurs fizyki. Dlatego powinniśmy, w miarę możliwości, urozmaicać naukę mechaniki ciekawymi doświadczeniami i problemami. Mogą to nawet być doświadczenia bardzo proste, niewymagające specjalistycznych przyrządów. I tak ich wynik będzie często dla uczniów nieoczekiwany i intrygujący. 1. Siła wypadkowa. F1 = 500 N, F2= 500 N, czy zawsze F1 F N? Przygotowujemy mocną linkę o długości np. 10 m i prosimy dwóch klasowych siłaczy, aby ciągnęli za końce linki tak mocno, jak tylko mogą (rys. 1). Następnie prosimy najdrobniejszą dziewczynkę, aby naciskając na linkę jedną ręką, obniżyła jej środek (nawet do poziomu podłogi). Słaba dziewczynka pokonała dwóch siłaczy! Uzupełnieniem doświadczenia może być wykonanie gra ficznej konstrukcji siły wypadkowej, którą dziewczynka działała na linkę. Rys Tarcie statyczne. Fakt, że w przesuwaniu jednego ciała po drugim przeszkadza tarcie, nie budzi u uczniów większych wątpliwości (wiedzą o tym z codziennego doświadczenia). Natomiast pytanie, czy tarcie występuje, gdy te ciała pozostają względem siebie w spoczynku, już budzi wątpliwości. Polecamy uczniom unieść nieco jeden bok książki i położyć na niej dowolny płaski przedmiot (gumkę, monetę itp.). Dlaczego przedmiot nie ześlizguje się? Co w tym przeszkadza? Polecamy stopniowo unosić bok książki coraz wyżej. W końcu położony przedmiot zsuwa się z książki (czyli po równi pochyłej). Analizujemy to proste doświadczenie. 3. Tarcie statyczne i kinetyczne. Na dowolnym okrągłym pręcie (np. ołówku) zawieszamy cokolwiek, np. pęk kluczy związanych tasiemką (rys. 2). Nachylamy pręt pod dość dużym kątem, ale takim, przy którym klucze nie zsuwają się z pręta. Obracamy pręt wzdłuż osi podłużnej. Klucze zsuwają się. Przestajemy obracać. Klucze zatrzymują się. Gdy wznowimy obrót, klucze ponownie zaczynają się zsuwać. Jaki wniosek należy wyciągnąć z tego doświadczenia? Doświadczenie zostało opisane w podręczniku Fizyka i astronomia dla każdego, a także pokazane na filmie Doświadczenia Juliusza Domańskiego (do nabycia w sklepie internetowym: sklep.zamkor.pl). Strona 1 Rys. 2

2 4. Trzecia zasada dynamiki. Konstruujemy najprostszą wagę sztywną linijkę podpieramy w połowie ołówkiem, który wyznacza oś obrotu. Ustawiamy na jej końcach dwie szklanki z wodą i doprowadzamy wagę do równowagi. Na nitce zawieszamy dowolny przedmiot o gęstości większej od gęstości wody, np. niewielki ziemniak. Jak zachowa się waga, gdy zanurzymy ziemniak w wodzie tak, aby nie dotykał dna ani ścianek szklanki? Szukając odpowiedzi, pamiętaj o sile wyporu. Zamiast dźwigni można zastosować wagę kuchenną. 5. Trzecia zasada dynamiki. Wysuwamy poza krawędź stołu dwa okrągłe ołówki i unieruchamiamy je, kładąc na nich dowolne ciężkie przedmioty. Kawałkiem mocnej nitki przywiązujemy do niezbyt ciężkiego przedmiotu (np. filiżanki) sprężynkę lub siłomierz. Do drugiego końca sprężynki dowiązujemy następny kawałek nitki. Zawieszamy tak, jak na rysunku 3A. Mierzymy długość sprężynki lub odczytujemy wskazanie siłomierza. Przywiązujemy drugą identyczną filiżankę i zmieniamy układ na pokazany na rysunku 3B. Ponownie mierzymy długość sprężynki. W którym przypadku długość sprężynki była większa? A może obie sprężyny były jednakowej długości? Rys. 3 Podobny problem: Najpierw dwaj uczniowie ciągną za końce liny (jak w doświadczeniu 1.). Potem przywiązują koniec liny do drzewa i jeden z nich ciągnie linę z taką samą siłą, jak poprzednio. W którym przypadku lina jest bardziej narażona na zerwanie? 6. Ruch jednostajny. Odcinek przezroczystego plastikowego wężyka (średnica zewnętrzna ok. 10 mm, wewnętrzna 8 mm do kupienia w sklepach z akcesoriami samochodowymi lub ogrodowymi) o długości ok. 1 m zatykamy z jednej strony koreczkiem, ustawiamy pionowo i napełniamy wodą (do poziomu ok. 2 cm poniżej górnego końca), a następnie zamykamy drugim koreczkiem. Rozciągamy wężyk wzdłuż długiej listewki i dokładnie co 10 cm mocujemy go do niej silnymi gumkami (recepturkami). Jeśli teraz ustawimy listewkę z wężykiem pionowo (pęcherzyk powietrza u dołu), pęcherzyk będzie wędrował do góry. Aby przekonać się, jaki jest ruch pęcherzyka, użyjemy programu STOPER (do pobrania z witryny: Po uruchomieniu stopera klikamy myszką na klawisz MIĘDZYCZAS wtedy, gdy pęcherzyk mija kolejne gumki (wyniki pomiarów możemy zapisać do pliku). Stwierdzamy, że kolejne równe odcinki drogi pęcherzyk przebył w takim samym czasie, a więc ruch był jednostajny. Prędkość ruchu pęcherzyka możemy zmniejszać, ustawiając rurkę pod różnymi kątami względem pionu. Odpowiedni zestaw (nr 8) do wykonania tego doświadczenia można zakupić w wydawnictwie ZamKor. Jeśli nie mamy dostępu do programu STOPER, można do pomiarów międzyczasów zaangażować kilku uczniów wyposażonych w stopery (stopery często znajdują się w telefonach komórkowych i zegarkach elektronicznych). Wyzerowane wcześniej stopery wszyscy uczniowie uruchamiają wówczas, gdy osoba prowadząca doświadczenie powie START w momencie, gdy pęcherzyk mija pierwszą gumkę. Gdy pęcherzyk mija kolejne gumki, prowadzący doświadczenie mówi odpowiednio: raz, dwa itd., a kolejno ustawieni uczniowie kończą swoje pomiary. Wyniki pomiarów przedstawiamy w tabeli i wykonujemy wykres zależności drogi od czasu. Inne proste doświadczenie opisałem w artykule Doświadczenia z magnesami neodymowym, doświadczenie 15. Strona 2

3 7. Zasada niezależności ruchów. W dowolną listewkę, przy jej końcu, wbijamy dwa gwoździki. Listewkę kładziemy na skraju stołu, a na niej dwie monety (rys. 4). Jedną ręką przytrzymujemy leżący na stole koniec listewki, drugą uderzamy listewkę w miejscu wskazanym czerwoną strzałką. Moneta leżąca między gwoździkami zostaje wyrzucona w kierunku poziomym, leżąca na listewce spada swobodnie. Czy usłyszymy jednoczesne uderzenie monet o podłogę, czy może odgłosy upadku monet wystąpią względem siebie w pewnym odstępie czasowym? Nieco inna wersja tego doświadczenia została opisana w podręczniku Fizyka i astronomia dla każdego (doświadczenie 2.1, s. 66). Rys Względność ruchu I. Proponuję wykonanie bar dzo prostego, a jednocześnie efektownego doświadczenia, które jednak należy przećwiczyć przed zademonstrowaniem go uczniom. Z używanego często do opakowań kartonu, składającego się z dwóch warstw grubszego papieru z wklejonym między nimi kartonem karbowanym, wycinamy okrągłą tarczę o średnicy cm. Aby wzdłuż średnicy tarczy utworzyć niewielki rowek, przeciągamy wzdłuż niej, silnie dociskając, zaokrąglony na końcu przedmiot (pręt, łyżeczkę). Następnie, wzdłuż rowka, również silnie dociskając, przesuwamy kulę, której będziemy używać w doświadczeniu (rys. 5). Najlepsze wyniki uzyskiwałem, używając masywnej kuli bilardowej o średnicy 57,2 mm. Popychamy lekko kulę, aby toczyła się wzdłuż rowka, a jednocześnie drugą ręką, dobierając szybkość obrotu, obracamy tarczę tak, aby w czasie ruchu kuli wzdłuż jej średnicy obrócić tarczę o 180 stopni. Stojący przy stole uczniowie widzą kulę zataczającą pętlę i powracającą (względem nich) do punktu wyjścia. Rys. 5 Zwracamy teraz uwagę na istnienie słabo widocznego rowka i powtarzamy doświadczenie. Uczniowie powinni zauważyć, że kula toczyła się wzdłuż rowka. Względem tarczy ruch kuli odbywał się po prostej. A był to przecież ten sam ruch. Synchronizacja nie musi być idealna, co można również sprawdzić, wykorzystując program WZGL_RUCHU i wpisując w programie np. 0.9 lub 1.1 lub podobnie. Program można pobrać z witryny Dopiero po pokazaniu doświadczenia warto pozwolić uczniom pobawić się programem. Strona 3

4 Doświadczenie można przygotować staranniej, wykonując tarczę z drewnianej płyty z wyfrezowanym rowkiem o odpowiednim profilu. W tym przypadku warto tarczę osadzić na osi, co znacznie ułatwi jej płynny obrót. Względność ruchu możemy pokazać też w prostszy, choć mniej atrakcyjny sposób (doświadczenie 9 i 10). 9. Względność ruchu II. Pod końce linijki podkładamy dwie niewielkie tekturki. Wsuwamy pod linijkę arkusz papieru (rys. 6). Jedną ręką dociskamy linijkę do stołu, a drugą wodzimy ołówkiem wzdłuż linijki tam i z powrotem, jednocześnie prosząc drugą osobę, aby ciągnęła powoli, ruchem jednostajnym, arkusz papieru. Po jakim torze porusza się ołówek względem nas? Po jakim względem narysowanej na arkuszu biedronki? Czy szybkość ruchu ołówka była jednakowa w obu układach odniesienia? Rys. 6 Rys Względność ruchu III. Trójkąt tablicowy przykładamy do dolnej listwy tablicy (rys. 7). Wzdłuż jednego z boków trójkąta prowadzimy kredę, jednocześnie przesuwając trójkąt wzdłuż listwy. Czy tory ruchu kredy względem trójkąta i względem tablicy były jednakowe? Czy jednakowe były prędkości kredy względem nich? 11. Moment siły. Otwór w szpulce po przylepcu tkaninowym wypełniamy plasteliną (dla zwiększenia masy). Na szpulkę nawijamy co najmniej 1,5 m wstążki o szerokości zużytego plastra. Ustawiamy szpulkę na stole przykrytym obrusem. Ciągniemy za wstążkę. W zależności od kąta, jaki wstążka tworzy z powierzchnią stołu, szpulka toczy się w stronę ręki lub w przeciwną stronę. Wyjaśniając doświadczenie, zwracamy uwagę, że przedłużenie wstążki w tych dwóch przypadkach znajdowało się po różnych stronach chwilowej osi obrotu (rys. 8), co powodowało zmianę zwrotu momentu siły. Warto na szpulkę nawinąć dość dużo wstążki, wówczas niezbędne do zmiany kierunku ruchu szpulki zmiany kąta nachylenia wstążki będą mniejsze. Rozwiązanie problemu przedstawiono Rys. 8 w Zbiorze zadań z fizyki Jędrzejewskiego, Kruczka, Kujawskiego (zad. 7-8, s. 70). Strona 4

5 Wyjaśnienie wyników doświadczeń 12, 13, 14 znajdziesz np. w podręczniku Wybieram fizykę, cz. 1, rozdz Zasada zachowania momentu pędu I. Na mocnej nitce przywiązujemy gumkę ołówkową. Nitkę przewlekamy przez rurkę o gładkim brzegu (np. obudowę od długopisu). Trzymając w jednej ręce koniec nitki, drugą ręką wprawiamy gumkę w ruch po okręgu (rys. 9). Ciągniemy w dół koniec nitki, zmniejszając promień okręgu, po którym porusza się gumka. Jak zmienia się szybkość gumki. Dlaczego? Rys. 9 Rys Zasada zachowania momentu pędu II. Dowolnego bąka, raczej niewielkich rozmiarów, kładziemy na tacce i podrzucamy do góry (rys. 10). Bąk koziołkuje w nieprzewidywalny sposób i spada na tackę. Wprawiamy bąka w szybki ruch obrotowy i ponownie podrzucamy. Bąk w locie zachowuje kierunek osi obrotu, spada na tackę i wiruje nadal. 14. Zasada zachowania momentu pędu III. Na końcu sznurka zawiązujemy np. guzik. Przewlekamy sznurek przez otwór w starej płycie gramofonowej. Zawieszoną na sznurku płytę wprawiamy w ruch wahadłowy (rys. 11). Płyta wykonuje chaotyczne wahania. Wprawiamy płytę w szybki ruch obrotowy wokół jej osi i ponownie wprawiamy w ruch wahadłowy. Płyta zachowuje stałą płaszczyznę ruchu obrotowego. Teraz możemy wytłumaczyć, dlaczego jadąc na rowerze szybko, łatwiej utrzymujemy równowagę, niż jadąc wolno! Rys. 11 Rys Środek masy I. Dość długi, niesymetryczny przedmiot (np. szczotkę do zamiatania) kładziemy na dwóch palcach wskazujących szeroko rozstawionych rąk (rys. 12). Zbliżamy powoli palce do siebie. Palce zetknęły się, a szczotka nie spadła. Gdzie znajduje się środek masy szczotki? Wyjaśnij, dlaczego tak się stało pamiętaj, że wartość siły tarcia zależy od siły nacisku. Strona 5

6 16. Środek masy II. W tekturce o nieregularnym kształcie (rys. 13) wykonujemy kilka otworów. Zawieszamy tekturkę na gwoździu razem z nitką obciążoną dowolnym ciężarkiem (np. dużą nakrętką). Rysujemy prostą wyznaczoną przez nitkę. Zawieszamy tekturkę na innym otworze i ponownie zaznaczamy prostą wyznaczoną przez nitkę. Narysowane proste przecinają się w pewnym punkcie. Co to za punkt? Jak można to sprawdzić? Rys. 13 Rys Zderzenia sprężyste centralne. Potrzebne są dwie jednakowe monety (np. o nominale 2 zł), jedna mniejsza (50 gr) i jedna większa (5 zł), a także dowolna, sztywna tekturka oraz arkusz papieru z narysowanym okręgiem o średnicy monety uderzanej. Kładziemy monety na gładkim stole i ustawiamy tekturkę tak, aby pchnięta przez nią moneta trafiła centralnie w drugą monetę ustawioną w okręgu (rys. 14). Badamy zderzenia monet o równych masach, a następnie przy większej i mniejszej masie monety uderzającej. Zwracamy uwagę na kierunki ruchu monet po zderzeniu. Czy w każdym przypadku obie monety po zderzeniu znajdowały się w ruchu? 18. Zderzenia sprężyste skośne. Tym razem monetę uderzającą przesuwamy nieco w lewo (lub w prawo rys. 15), aby uzyskać zderzenie niecentralne. Podobnie jak poprzednio przydatny jest arkusz papieru Rys. 15 z narysowanym krążkiem. Pozwoli to na łatwiejszą ocenę kąta utworzonego przez kierunki ruchu monet po zderzeniu. Badania przeprowadzamy dla monet o różnych i równych masach. Po każdym zderzeniu oceniamy kąt, jaki tworzyły tory ruchu monet po zderzeniu (kąt ostry, prosty, rozwarty). Czy udało się zauważyć jakąś prawidłowość? Zderzenia monet demonstrowałem w filmie Doświadczenia Juliusza Domańskiego. 19. Zderzenia sprężyste kulek. Do doświadczenia potrzebna będzie aluminiowa rynienka, tzw. ceownik (rys. 16A) (do nabycia za parę złotych m.in. w OBI) i 9-10 stalowych kulek z dużego łożyska. Średnica kulek ok. 10 mm. Na wypoziomowanym ceowniku kładziemy kulki. Kulki powinny się stykać. Odsuwamy jedną kulkę i silnym pchnięciem kierujemy ją w stronę pozostałych. Odskakuje jedna kulka (rys. 16B). Przywracamy stan początstrona 6 Rys. 16

7 kowy, odsuwamy dwie kulki i, jak poprzednio, popychamy je w stronę pozostałych. Odskakują dwie kulki (rys. 16C). Doświadczenie możemy powtórzyć dla 3 i 4 kulek. Z jakich praw trzeba skorzystać, by wyjaśnić to doświadczenie? Odpowiedni zestaw (nr 5) do wykonania tego doświadczenia można zakupić w wydawnictwie ZamKor. Warto też wyszukać w Internecie kołyskę Newtona, którą czasem można znaleźć w sklepie! 20. Fale podłużne w metalu I. Kładziemy na stole 3 monety. Dwie z nich muszą się stykać (rys. 17). Jedną z monet silnie dociskamy palcem do stołu. Leżącą w pewnej odległości trzecią monetę uderzamy dość silnie tak, aby uderzyła centralnie w dociskaną monetę. Stykająca się z nią moneta natychmiast odskakuje. Rys Fale podłużne w metalu II. Jeśli nie przekonało nas poprzednie doświadczenie, możemy postąpić inaczej. W imadle mocujemy dość gruby stalowy pręt zgięty pod kątem prostym. Jednego z końców pręta dotyka zawieszona na nitce piłeczka do ping-ponga (rys. 18). W drugi koniec pręta uderzamy, niezbyt silnie, młotkiem. Piłeczka gwałtownie odskakuje. Rys Dwie piłki. Pytamy: Czy upuszczona swobodnie piłka może po odbiciu od podłogi podskoczyć na wysokość większą niż ta, z której spadła? Po uzyskaniu poprawnej (a jeszcze lepiej uzasadnionej) odpowiedzi demonstrujemy następujące doświadczenie. Na większej piłce (np. piłce do siatkówki) kładziemy mniejszą może to być piłka tenisowa (rys. 19). Upuszczamy je swobodnie. Mniejsza piłka odbita od dużej podskakuje na dość znaczną wysokość. Prosimy o wyjaśnienie wyniku tego doświadczenia. W wyjaśnieniu mogą pomóc wykonane wcześniej doświadczenia ze zderzeniami monet. Odpowiedni zestaw (nr 18) do wykonania tego doświadczenia można zakupić w wydawnictwie ZamKor. Rys. 19 Strona 7

8 23. Poduszkowiec. Do wykonania poduszkowca potrzebne będą: płyta kompaktowa, balonik, kawałek rurki z tworzywa sztucznego o średnicy ok. 2-3 cm i klej (rys. 20). Otwór w płycie kompaktowej jest stanowczo za duży, więc zmniejszymy go przez naklejenie niewielkiego krążka z otworem o średnicy ok. 1 mm (rys. 21). Doklejamy kawałek rurki, na którą naciągniemy mocno nadmuchany balonik. Całość stawiamy na gładkiej powierzchni i lekko popychamy. Nasz pojazd porusza się ruchem jednostajnym. Jeśli napotka na sztywną przeszkodę, zmienia kierunek ruchu. Rys. 20 Rys Silnik odrzutowy. Gumowy balonik silnie nadmuchujemy i puszczamy swobodnie. Lot rakiety jest bardzo nieprzewidywalny, wykonuje ona gwałtowne skręty. Lot można w znacznym stopniu ustabilizować, przyklejając do balonika (tuż przy otworze) kawałek wstążki (ok. 30 cm). Pokaz może być bardziej atrakcyjny, jeśli zadamy sobie nieco trudu i skonstruujemy prosty wózek (rys. 22). Dyszą silnika jest tu słomka do napojów. Niekiedy w sklepach z zabawkami można kupić rakietę wodną. Do rakiety wlewamy wodę (mniej więcej do połowy pojemności), a następnie za pomocą pompki podobnej do rowerowej wtłaczamy do niej powietrze. Po uwolnieniu rakiety sprężone powietrze wypycha wodę i rakieta wzlatuje na dość znaczną wysokość (rys. 23). Rys. 22 Rys Czas reakcji. Do doświadczenia potrzebna jest dość długa (50-60 cm) linijka. Trzymamy linijkę swobodnie zwisającą za jej koniec (początek podziałki na dole). Badana osoba trzyma w pobliżu linijki rozwartą dłoń na wysokości początku podziałki. W pewnej chwili mówimy Łap! i jednocześnie upuszczamy linijkę. Na podziałce linijki odczytujemy drogę, jaką przebyła linijka do momentu jej uchwycenia. Ze wzoru na drogę w ruchu jednostajnie przyspieszonym obliczamy czas reakcji. Uwaga: Aby osoba badana nie zmieniała wysokości ręki, dobrze jest, jeśli trzyma rękę opartą np. o płytę stołu. Strona 8

9 26. Silnik odrzutowy w łazience. Uchwyć wąż prysznica (rys. 24) i trzymaj go tuż nad dnem wanny. Dość gwałtownie odkręć kurek. Jak zachowała się końcówka prysznica? Jakie prawo przewiduje taki efekt? 27. Pomiar mocy. Zmierz wysokość piętra w następujący sposób. Postaraj się o stoper (niektóre telefony komórkowe i zegarki elektroniczne są wyposażone w stoper). Zmierz czas, jaki zajęło ci wbiegnięcie na pierwsze piętro. Odpocznij chwilę i powtórz doświadczenie, wbiegając na trzecie lub czwarte piętro. Oblicz moc, jaką rozwijałeś w pierwszym i drugim przypadku. Czy wyniki były jednakowe? 28. Swobodne osie obrotu. Z kartonu wycinamy krążek, robimy otwór blisko jego obwodu i zawieszamy go na nitce. Dobrze jest na końcu nitki przywiązać kawałek drutu o średnicy 1 mm (łatwiej będzie wprawiać krążek w ruch). Palcami obu rąk (kciukiem i wskazującym) wprawiamy krążek w szybki ruch obrotowy (rys. 25). Krążek przyjmuje położenie poziome (na rysunku zaznaczone linią przerywaną). Doświadczenie możemy powtórzyć z innymi bryłami (prętem, pętlą z łańcuszka). W każdym przypadku bryła zmienia płaszczyznę ruchu wykonuje ruch obrotowy wokół osi, względem której ma największy moment bezwładności. Rys. 25 Rys. 24 Rys Grający kieliszek. Do doświadczenia użyjemy dużego, cienkościennego kieliszka do wina (lub do piwa). Jedną ręką przytrzymujemy kieliszek tuż przy podstawce. Lekko zwilżonym palcem drugiej ręki ruchem okrężnym pocieramy brzeg kieliszka (rys. 26). Kieliszek zaczyna wydawać dość silny, wysoki dźwięk. Musimy trochę potrenować, zanim dobierzemy właściwą siłę nacisku i właściwą wilgotność palca. Jeśli w kieliszku znajduje się nieco cieczy, w momencie gdy kieliszek zaczyna grać, na powierzchni cieczy pojawiają się fale świadczące o drganiach jego ścianek. Drgania można uwidocznić, zbliżając do brzegu kieliszka zawieszoną na nitce piłeczkę pingpongową. Piłeczka odskakuje bardzo energicznie. Dolewając do kieliszka wody, możemy w pewnym zakresie zmieniać częstotliwość drgań. Zobacz też film Doświadczenia Juliusza Domańskiego (do nabycia w wydawnictwie ZamKor). 30. Energia kinetyczna ruchu obrotowego. Piłeczkę do ping-ponga połóż na gładkiej podłodze (dość daleko od ściany). Przyciśnij ją do podłogi palcem wskazującym. Szybko cofnij palec do siebie, nie zmniejszając siły nacisku. Piłeczka zostaje wystrzelona z dużą szybkością; po pewnym czasie zatrzymuje się, a następnie zaczyna toczyć się z powrotem do ciebie. Czy potrafisz wyjaśnić zachowanie piłeczki? Jeśli tak, to zrozumiesz Strona 9

10 często wykonywany element gimnastyki artystycznej: zawodniczka wyrzuca obręcz, która toczy się, zatrzymuje i wraca do niej. To zjawisko odpowiada też za podkręcanie piłek w siatkówce i piłce nożnej. 31. Środek uderzeń. Dość masywny pręt zawieszamy na mocnej nici (rys. 27A). Uderzamy w pręt młotkiem niezbyt silnie, aby nie zerwać nici. Gdy uderzamy zbyt wysoko, górny koniec pręta zostaje szarpnięty w lewo, gdy zbyt nisko w prawo. Jeśli trafimy na wysokości pewnego charakterystycznego punktu, zwanego środkiem uderzeń, szarpnięcia pręta nie zauważymy. Natomiast zacznie się on poruszać ruchem wahadłowym. Położenie środka uderzeń kija możemy też określić w inny sposób. Dość silnie uderzamy kijem w dowolny twardy przedmiot, np. duży kamień (rys. 27B). Jeśli uderzenie nastąpi na wysokości środka uderzeń, to nawet przy dużej sile uderzenia jest ono bezbolesne dla dłoni. Jeśli nie, uderzenie boleśnie odczuwają palce lub dłoń. Dlatego ważna Rys. 27 jest prawidłowa konstrukcja narzędzi, takich jak młotek czy siekiera. Chodzi o to, aby środek uderzeń znajdował się nad roboczą częścią narzędzia. Środek uderzeń to punkt ciała mającego nieruchomą oś obrotu, odznaczający się tym, że uderzenie skierowane w ten punkt prostopadle do płaszczyzny przechodzącej przez oś obrotu i środek masy ciała powoduje tylko ruch obrotowy ciała (nie jest przenoszone na oś) wg Encyklopedii Fizyki PWN, Warszawa Dlaczego się nie przewraca? Na równi pochyłej stawiamy wózek, a na nim klocek (rys. 28). Dobieramy kąt nachylenia równi tak, aby klocek się przewracał na stojącym wózku. Nie zmieniając kąta nachylenia równi, puszczamy jednocześnie klocek i wózek. Wózek zjeżdża z równi, a klocek nie przewraca się. Dlaczego? Zauważmy, że na poruszający się wraz z wózkiem klocek, oprócz siły tarcia, działają dwie siły: siła ciężkości i siła bezwładności F ma Wypadkowa tych sił jest prostopadła do równi. Rys Dlaczego powierzchnia cieczy nie jest pozioma? Na równi pochyłej ustawiamy wózek, a na nim przezroczyste naczynie z wodą (rys. 29). Puszczamy swobodnie wózek i w czasie zjazdu obserwujemy powierzchnię wody. Podobnie jak w poprzednim doświadczeniu, wypadkowa sił działających na ciecz jest prostopadła do równi. Powierzchnia swobodna cieczy jest zawsze prostopadła do wypadkowej siły działającej na ciecz. Rys. 29 Strona 10

11 34. Które ciało jest szybsze? Na równi pochyłej ustawiamy obok siebie wózek i cylinder z odciętego kawałka rury o dość dużej średnicy (rys. 30). Które ciało stoczy się szybciej, jeśli zwolnimy je jednocześnie? Sprawdzamy doświadczalnie swoje przewidywania. Wyjaśnienie wyników doświadczenia znajdziesz np. w pod ręczniku Wybieram fizykę (cz. 1, s. 170). Rys Wyznaczamy przyspieszenie ziemskie. Z masywnej nakrętki i mocnej, długiej nici robimy wahadło. Posługując się stoperem (funkcję stopera posiadają niektóre zegarki elektroniczne i telefony komórkowe), mierzymy czas 10 wahnięć, a następnie wyznaczamy okres drgań wahadła. Po zmierzeniu długości wahadła obliczamy wartość przyspieszenia ziemskiego. Uwaga: Mimo prostoty starannie wykonane doświadczenie zapewnia uzyskanie wyniku z dokładnością do 0,01 m/s Wyznaczamy współczynnik tarcia. Na równi pochyłej ustawiamy przedmiot, którego współczynnik tarcia o materiał równi chcemy wyznaczyć. Powoli zwiększamy kąt nachylenia równi, starając się uchwycić kąt, przy którym nasz przedmiot zaczyna się zsuwać. Mierzymy ten kąt (lub wyznaczamy go, wykorzystując stosunek wysokości do długości podstawy równi). Na rysunku rozkładamy siłę ciężkości przedmiotu na składowe równoległą i prostopadłą do równi o wyznaczonym kącie nachylenia. Obliczamy współczynnik tarcia. Szczegółowe wyjaśnienie znajdziesz np. w podręczniku Wybieram fizykę (cz.1, s. 104). 37. Bezwładność ciał. Na poziomym drążku, na grubym sznurze zawieszamy ciężki przedmiot, np. cegłę. Unosimy ją nieco i podwieszamy na dość cienkim sznurku (rys. 31). Drugi kawałek takiego samego cienkiego sznurka przywiązujemy u dołu cegły. Dlaczego, jeśli ciągniemy powoli, zrywa się górny sznurek, a jeśli szarpniemy gwałtownie zrywa się dolny? Uwaga: Grubszy sznurek zabezpiecza rękę przed uderzeniem w nią ewentualnie spadającej cegły. Rys. 31 Rys Efekt Magnusa. Z kartonu (bristolu) sklejamy walec (średnica ok. 5 cm, długość cm). Na końcach przyklejamy dwa krążki stabilizujące ruch walca (rys. 32). Do poziomego pręta przywiązujemy dwie długie nitki i nawijamy je na walec. Puszczamy walec, pozwalając mu spadać swobodnie. Dlaczego walec nie spada pionowo, tylko zakręca w prawo? Strona 11

12 I bonus dla wytrwałych Hodujemy kryształy. W warunkach domowych można wyhodować bardzo ładne kryształy. Można użyć różnych substancji, np. soli (NaCl) lub cukru. Piękne kryształy uzyskamy także z siarczanu miedzi (CuSO4 do nabycia w sklepach ogrodniczych), ałunu (siarczan glinowo-potasowy KAl(SO4)2.12 H2O można nabyć w aptece lub drogerii) lub kwasu cytrynowego (C(CH2COOH)2.COOH.H2O znajdziemy go w sklepie spożywczym). Potrzebna nam ilość to g. Bardzo ważne jest zachowanie czystości czyste ręce, naczynia, woda destylowana. W temperaturze o ok. 10O wyższej od tej, w jakiej prowadzić będziemy krystalizację, rozpuszczamy w ok. 0,5 litra wody wybraną substancję w takiej ilości, aby otrzymać roztwór nasycony. Najlepszym miejscem do krystalizacji jest kąt w piwnicy. Stawiamy tam roztwór na 2-3 dni. Na dnie pojawią się kryształki użytej do doświadczenia substancji. Roztwór zlewamy ostrożnie (patrz doświadczenie 24 w artykule Panta rhei) do innego, czystego naczynia. Spośród kryształków wybierz jeden najładniejszy i po osuszeniu przyklej go do cienkiej nitki (oczywiście klej powinien być wodoodporny; używamy go w minimalnej ilości). Zawieszamy kryształek w roztworze (rys. 33). Słoik nakrywamy czystą szmatką i czekamy 2-3 tygodnie (czas oczekiwania w dużym stopniu zależy Rys. 33 od użytej substancji, temperatury i wilgotności piwnicy). Gdy uznamy, że kryształ jest wystarczająco duży, wyjmujemy go i osuszamy. Przechowujemy najlepiej w szczelnie zamkniętym małym słoiczku. Literatura Domański J., Domowe zadania doświadczalne, cz. 7, Fizyka w Szkole, nr 5/2007. Domański J., Czy wykonanie młotka wymaga znajomości fizyki, Delta, nr 1/1989. Domański J., Domowe zadania doświadczalne, Prószyński i S-ka, Warszawa Jędrzejewski J., Kruczek W., Kujawski A., Zbiór zadań z fizyki, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa Sagnowska B. (red.), Fizyka i astronomia dla każdego, ZamKor, Kraków Salach J. (red.), Wybieram fizykę, cz.1, ZamKor, Kraków, Strona 12