Гонки з м'ячем
На цей раз пропоную вам зробити простий, але ефективний пристрій для кабінету фізики. Це буде гонка із м'ячем. Ще однією перевагою трекової конструкції є те, що вона висить на стіні, не займаючи багато місця і завжди готова продемонструвати гоночний досвід. Три кулі стартують одночасно з точок, розташованих на одній висоті. У цьому нам допоможе спеціально сконструйована стартова машина. Кульки бігатимуть трьома різними доріжками.
Пристрій виглядає як дошка, що висить на стіні. До дошки приклеєно три прозорі трубочки, доріжки, якими рухатимуться кульки. Перша смуга найкоротша і має форму звичайної похилої площини. Другий – це сегмент кола. Третя смуга має форму фрагмента циклоїди. Всі знають, що таке коло, але не знають, як воно виглядає і звідки береться циклоїд. Нагадаю, що циклоїда - це крива, проведена нерухомою точкою по колу, що котиться без ковзання по прямій.
Уявимо, що ми поставили білу крапку на шину велосипеда і просимо когось підштовхнути велосипед або дуже повільно проїхати на ньому прямою, а поки спостерігатимемо за рухом точки. Шлях точки, прикріпленої до шини, оточуватиме циклоїду. Вам не потрібно проводити цей експеримент, тому що на малюнку ми вже можемо бачити нанесену на карту циклоїду та всі доріжки, призначені для бігу кульок. Щоб бути чесним у початковій точці, ми збудуємо просту важільну стартову машину, яка забезпечить рівномірний старт усіх трьох куль. Потягнувши за важіль, кульки одночасно вдаряться об дорогу.
Зазвичай наша інтуїція підказує нам, що м'яч, який слідує по самій прямій траєкторії, тобто по похилій площині, буде найшвидшим і виграє. Але ні фізика, ні життя не такі прості. Переконайтеся самі, зібравши цей експериментальний пристрій. Якому працювати. Матеріали. Прямокутний шматок фанери розміром 600 на 400 міліметрів або пробкова плита аналогічного розміру або менше двох метрів прозорої пластикової труби діаметром 10 міліметрів, алюмінієвий лист товщиною 1 міліметр, дріт діаметром 2 міліметри. , Три однакові кульки, які повинні вільно переміщатися всередині трубок. Ви можете використовувати сталеві кульки із зламаного підшипника, свинцевий дріб або кульки із рушниці, залежно від внутрішнього діаметра вашої труби. Ми вішатимемо наш пристрій на стіну і для цього нам знадобляться два тримачі, на які можна повісити картинки. У нас можна купити або зробити ручки із дроту своїми руками.
інструменти. Пила, гострий ніж, пістолет для гарячого клею, дриль, різак для листового металу, плоскогубці, олівець, перфоратор, дриль, напилок по дереву та дрімель, який дуже спрощує роботу. Заснування. На папері накреслимо прогнозовані три дорожні маршрути в масштабі 1:1 за малюнком у нашому листі. Перша – пряма. Сегмент другого кола. Третій маршрут – циклоїди. Ми можемо бачити це на зображенні. Правильний малюнок доріжок потрібно перемалювати на дошку-основу, щоб ми потім знали, куди потрібно приклеїти труби, які стануть стежками кульок.
Доріжки для м'ячів. Пластикові трубочки мають бути прозорими, ви можете бачити, як у них рухаються наші кульки. Пластикові трубки дешеві та їх легко купити в магазині. Ми відріжемо необхідні відрізки труб приблизно по 600 міліметрів, а потім трохи вкоротимо їх, підігнавши і примірявши до вашого проекту.
Підтримка початку треків. У дерев'яному бруску розмірами 80х140х15 мм просвердліть три отвори діаметром трубок. Отвір, у якому встромляємо першу доріжку, тобто. зображуючу рівність, має бути пропилено і мати форму, як показано на фото. Справа в тому, що трубка не згинається під прямим кутом і максимально стосується форми поверхні. Сама трубка також обрізається під кутом, який утворює. Вклейте відповідні трубки у всі отвори в блоці.
Завантажувальна машина. З алюмінієвого листа товщиною 1 міліметр вирізаємо два прямокутники з розмірами, як показано на кресленні. У першому і другому свердлимо по три отвори діаметром 7 міліметрів співвісно з таким самим розташуванням, як були просвердлені отвори в дерев'яному бруску, що становить початок доріжок. Ці отвори будуть стартовими гніздами кульок. Просвердліть отвори у другій пластині діаметром 12 мм. До крайніх країв нижньої пластини та до них верхньої пластини з меншими отворами приклейте невеликі прямокутні шматочки листового металу. Подбаємо про співвісність цих елементів. Центральна пластина розміром 45 × 60 мм повинна поміщатися між верхньою та нижньою пластинами та мати можливість ковзати, закриваючи та відкриваючи отвори. Невеликі бляшки, приклеєні до нижньої та верхньої пластин, обмежуватимуть бічне переміщення центральної пластини, щоб вона могла переміщатися вліво та вправо під дією руху важеля. Просвердлюємо в цій пластині видимий на кресленні отвір, в який буде поміщатися важіль.
важіль. Його ми згинатимемо з дроту діаметром 2 міліметри. Дріт можна легко отримати, відрізавши відрізок довжиною 150 мм від дротяної підвіски. Зазвичай таку вішалку ми отримуємо разом з чистим одягом із прання, і вона стає відмінним джерелом прямого та товстого дроту для наших цілей. Зігніть один кінець дроту під прямим кутом на відстані 15 мм. Інший кінець можна закріпити, надягнувши на нього дерев'яну ручку.
Підтримка важеля. Він виготовлений із блоку розміром 30х30х35 міліметрів заввишки. У центрі блоку просвердлюємо глухий отвір діаметром 2 міліметри, в якому працюватиме наконечник важеля. Закінчувати. Зрештою, ми маємо якось ловити м'ячі. Кожна гусениця закінчується захопленням. Вони необхідні для того, щоб ми не шукали кульки по всій кімнаті після кожного етапу гри. Захоплення робитимемо з 50-міліметрового відрізка труби. З одного боку обріжте трубку під кутом, щоб створити довшу стіну, в яку вдарить м'яч, що завершує маршрут. На іншому кінці трубки проріжте проріз, в який ми помістимо тарілку клапана. Пластина не дасть м'ячу кудись випасти з-під контролю. З іншого боку, як тільки ми витягнемо тарілку, м'яч сам упаде до нас у руки.
Монтаж приладу. У правому верхньому кутку дошки, на позначеному початку всіх доріжок, приклейте наш дерев'яний брусок, в якому ми приклеювали трубочки до основи. Приклейте трубочки гарячим клеєм до дошки згідно з намальованими лініями. Найбільш віддалена від поверхні плити циклоїдальна доріжка підтримується по середній довжині дерев'яним бруском заввишки 35 мм.
Приклейте пластини з отворами до верхнього блоку опори гусениці так, щоб вони помилково потрапили в отвори в дерев'яному блоці. Вставляємо важіль в отвір центральної пластини та один у кожух пускової машини. Вставляємо кінець важеля в каретку і тепер можна відзначити місце, де каретка має бути приклеєна до дошки. Механізм повинен працювати таким чином, щоб при повороті важеля ліворуч відкривалися усі отвори. Позначте знайдене місце олівцем і на завершення приклейте опору гарячим клеєм.
забава. Вішаємо гоночну трасу та одночасно науковий прилад на стіну. Кулі однакової ваги та діаметру розміщуються на своїх стартових місцях. Поверніть важіль ліворуч, і кульки почнуть рухатися одночасно. Чи думали ми, що найшвидшим м'ячем на фініші буде м'яч, який проїхав найкоротшою 500-міліметровою доріжкою? Наша інтуїція підвела нас. Тут це не так. Вона третя – на фініші. Дивно, але це правда.
Найшвидшою є та кулька, яка рухається по циклоїдальному шляху, хоча його шлях становить 550 міліметрів, а іншою є та, яка рухається по відрізку кола. Як же так вийшло, що у початковій точці всі кульки мали однакову швидкість? Для всіх куль одна й та сама різниця потенційної енергії була перетворена на кінетичну енергію. Наука розповість нам, звідки береться різниця у часі фінішу.
Таку поведінку куль він пояснює динамічними причинами. На кульки діють певні сили, які називаються силами реакції, що діють на кульки з боку доріжок. Горизонтальна складова сили реакції в середньому є найбільшою для циклоїди. Це також викликає найбільше середнє горизонтальне прискорення цієї кулі. Науковим фактом і те, що з усіх кривих, що з'єднують будь-які дві точки гравітаційного поту, час падіння циклоїди найкоротший. Обговорити це цікаве питання можна на одному з уроків фізики. Можливо, це відкладе одну з найстрашніших сторінок.
