Ballen racen
Deze keer stel ik voor dat je een eenvoudig maar effectief apparaat maakt voor je natuurkundelokaal. Het wordt een ballenrace. Een ander voordeel van het baanontwerp is dat het aan de muur hangt zonder veel ruimte in beslag te nemen en altijd klaar staat om te pronken met je race-ervaring. Drie ballen starten gelijktijdig vanaf punten op dezelfde hoogte. Een speciaal ontworpen startmachine helpt ons hierbij. De ballen lopen langs drie verschillende paden.
Het apparaat ziet eruit als een bord dat aan de muur hangt. Drie transparante buizen zijn op het bord gelijmd, de paden waarlangs de ballen zullen bewegen. De eerste strook is de kortste en heeft de vorm van een conventioneel hellend vlak. De tweede is het cirkelsegment. De derde band heeft de vorm van een fragment van een cycloïde. Iedereen weet wat een cirkel is, maar ze weten niet hoe het eruit ziet en waar de cycloïde vandaan komt. Laat me je eraan herinneren dat een cycloïde een kromme is die wordt getrokken door een vast punt langs een cirkel, die langs een rechte lijn rolt zonder te verschuiven.
Stel je voor dat we een witte stip op een fietsband zetten en iemand vragen de fiets te duwen of heel langzaam in een rechte lijn te rijden, terwijl we de beweging van de stip bekijken. Het pad van een punt dat aan een bus is bevestigd, zal de cycloïde omringen. Je hoeft dit experiment niet uit te voeren, omdat we op de afbeelding al de cycloïde in kaart kunnen zien en alle sporen waarlangs de ballen kunnen rennen. Om eerlijk te zijn bij het startpunt, zullen we een eenvoudige startmachine met hendel bouwen die ervoor zorgt dat alle drie de ballen gelijkmatig starten. Door aan de hendel te trekken, komen de ballen tegelijkertijd op de weg.
Meestal vertelt onze intuïtie ons dat de bal die het meest rechtse pad volgt, dat wil zeggen het hellende vlak, de snelste zal zijn en zal winnen. Maar noch de natuurkunde, noch het leven zijn zo eenvoudig. Ontdek het zelf door dit experimentele apparaat te bouwen. Welke zou moeten werken? Materialen. Een rechthoekig stuk multiplex van 600 bij 400 millimeter of een kurkplaat van vergelijkbare grootte of minder dan twee meter doorzichtige plastic buis met een diameter van 10 millimeter, een aluminiumplaat van 1 millimeter dik, een draad met een diameter van 2 millimeter. , drie identieke ballen die vrij in de buizen moeten bewegen. Je kunt stalen kogels van een gebroken lager, loden kogels of jachtgeweerkogels gebruiken, afhankelijk van de binnendiameter van je pijp. We gaan ons apparaat aan de muur hangen en hiervoor hebben we twee houders nodig waaraan we foto's kunnen ophangen. U kunt bij ons draadhandvatten met uw eigen handen kopen of maken.
Gereedschap. Zaag, scherp mes, heet lijmpistool, boormachine, plaatmes, tang, potlood, perforator, boormachine, houtvijl en dremel wat het werk heel gemakkelijk maakt. Baseren. Op papier tekenen we de drie voorspelde reisroutes op een schaal van 1:1 volgens de tekening in onze brief. De eerste is recht. Segment van de tweede cirkel. De derde route is cycloïden. We zien het op de foto. De juiste tekening van de rails moet opnieuw worden getekend op de basisplaat, zodat we later weten waar we de pijpen moeten lijmen die de rails van de ballen worden.
Bal sporen. De plastic buizen moeten transparant zijn, je kunt zien hoe onze ballen erin bewegen. Plastic slangen zijn goedkoop en gemakkelijk te kopen in de winkel. Wij snijden de benodigde stukken buis, ongeveer 600 millimeter, af en korten ze vervolgens iets in, passen ze aan en passen ze op uw project aan.
Volg startondersteuning. Boor in een houten blok van 80x140x15 millimeter drie gaten met de diameter van de buizen. Het gat waarin we het eerste spoor steken, d.w.z. geeft vlakheid weer, moet worden gezaagd en gevormd zoals op de foto. Feit is dat de buis niet in een rechte hoek buigt en de vorm van het vlak zoveel mogelijk raakt. De buis zelf wordt ook in de hoek gesneden die hij maakt. Lijm de bijbehorende buizen in al deze gaten in het blok.
Laadmachine. Knip uit een aluminiumplaat van 1 millimeter dik twee rechthoeken met de afmetingen zoals weergegeven in de tekening. In de eerste en tweede boren we drie gaten met een diameter van 7 millimeter coaxiaal op dezelfde plek als waar de gaten zijn geboord in het houten blok dat het begin van de paden vormt. Deze gaten zullen de startnesten voor de ballen zijn. Boor gaten in de tweede plaat met een diameter van 12 millimeter. Lijm kleine rechthoekige stukjes plaatmetaal op de buitenranden van de onderplaat en daarop met kleinere gaten op de bovenplaat. Laten we zorgen voor de uitlijning van deze elementen. De centraalplaat 45 x 60 mm moet tussen de boven- en onderplaat passen en verschuifbaar zijn om de gaten te sluiten en te openen. Kleine plaatjes die op de onder- en bovenplaten zijn geplakt, beperken de zijdelingse beweging van de middenplaat, zodat deze met de beweging van de hendel naar links en rechts kan bewegen. In deze plaat boren we, zichtbaar op de tekening, een gat waarin de hendel komt te zitten.
hefboom. We buigen het van draad met een diameter van 2 millimeter. De draad kan eenvoudig worden verkregen door een stuk draad van 150 mm af te knippen van een draadhanger. Meestal ontvangen we zo'n hanger samen met schone kleding uit de was, en het wordt voor onze doeleinden een uitstekende bron van recht en dik draad. Buig het ene uiteinde van de draad in een rechte hoek op een afstand van 15 millimeter. Het andere uiteinde kan worden vastgezet door er een houten handvat op te plaatsen.
Hendel ondersteuning. Het is gemaakt uit een blok van 30x30x35 millimeter hoog. In het midden van het blok boren we een blind gat met een diameter van 2 millimeter, waarin de punt van de hendel zal werken. Einde. Ten slotte moeten we de ballen op de een of andere manier vangen. Elke baan eindigt met een grijper. Ze zijn nodig zodat we na elke fase van het spel niet door de kamer naar ballen zoeken. De handgreep maken we uit een stuk buis van 50 mm. Snijd aan de ene kant de buis schuin af om een langere muur te creëren waar de bal tegenaan kan slaan om de route te voltooien. Snijd aan het andere uiteinde van de buis een gleuf waarin we de klepplaat plaatsen. De plaat zorgt ervoor dat de bal nergens uit de hand valt. Aan de andere kant, zodra we de plaat eruit trekken, valt de bal zelf in onze handen.
Installatie van het apparaat. In de rechterbovenhoek van het bord, aan het aangegeven begin van alle paden, lijmt u ons houten blok waarin we de buizen aan de basis hebben gelijmd. Heetlijm de buizen op het bord volgens de getekende lijnen. Het cycloïde spoor dat het verst van het oppervlak van de plaat ligt, wordt langs de middelste lengte ondersteund door een houten blok van 35 millimeter hoog.
Lijm de gatenplaten op het bovenste spoorsteunblok, zodat ze netjes in de gaten in het houtblok passen. We steken de hendel in het gat in de centraalplaat en één in de behuizing van de draagraket. We steken het uiteinde van de hendel in de wagen en nu kun je de plaats markeren waar de wagen op het bord moet worden gelijmd. Het mechanisme moet zo werken dat wanneer de hendel naar links wordt gedraaid, alle gaten opengaan. Markeer de locatie die je vindt met een potlood en lijm de steun uiteindelijk met hete lijm.
Plezier. We hangen tegelijkertijd een racebaan en een wetenschappelijk instrument aan de muur. Ballen met hetzelfde gewicht en dezelfde diameter worden op hun startplaats geplaatst. Draai de trekkerhendel naar links en de ballen beginnen tegelijkertijd te bewegen. Dachten we dat de snelste bal om te finishen de bal zou zijn die de kortste baan van 500 mm aflegde? Onze intuïtie liet ons in de steek. Dit is hier niet het geval. Ze staat derde bij de finish. Verrassend genoeg is het waar.
De snelste is de bal die langs een cycloïdaal pad beweegt, hoewel zijn pad 550 millimeter is, en de andere is degene die langs een cirkelsegment beweegt. Hoe kwam het dat op het startpunt alle ballen dezelfde snelheid hadden? Voor alle ballen werd hetzelfde verschil in potentiële energie omgezet in kinetische energie. De wetenschap zal ons vertellen waar het verschil in eindtijden vandaan komt.
Hij verklaart dit gedrag van de ballen door dynamische redenen. De ballen zijn onderhevig aan bepaalde krachten, reactiekrachten genaamd, die vanaf de zijkant van de baan op de ballen inwerken. De horizontale component van de reactiekracht is gemiddeld het grootst voor de cycloïde. Dit veroorzaakt ook de grootste gemiddelde horizontale versnelling van die bal. Het is een wetenschappelijk feit dat van alle curven die twee punten van zwaartekrachtzweet met elkaar verbinden, de valtijd van de cycloïde de kortste is. Deze interessante vraag kun je bespreken in een van de natuurkundelessen. Misschien zal dit een van de verschrikkelijke pagina's terzijde schuiven.
