Гонкі з мячом
На гэты раз прапаную вам зрабіць простую, але эфектыўную прыладу для кабінета фізікі. Гэта будзе гонка з мячом. Яшчэ адной перавагай трэкавай канструкцыі з'яўляецца тое, што яна вісіць на сцяне, не займаючы шмат месца, і заўсёды гатова прадэманстраваць гоначны досвед. Тры шары стартуюць адначасова з кропак, размешчаных на адной вышыні. У гэтым нам дапаможа спецыяльна сканструяваная стартавая машына. Шарыкі будуць бегаць па трох розных дарожках.
Прылада выглядае як дошка, якая вісіць на сцяне. Да дошкі прылеплены тры празрыстыя трубачкі, дарожкі, па якіх будуць рухацца шарыкі. Першая паласа самая кароткая і мае форму звычайнай нахільнай плоскасці. Другі - гэта сегмент круга. Трэцяя паласа мае форму фрагмента циклоиды. Усе ведаюць, што такое круг, але не ведаюць, як яно выглядае і адкуль бярэцца цыклаіда. Нагадаю, што циклоида - гэта крывая, праведзеная нерухомай кропкай па акружнасці, якая коціцца без праслізгвання па прамой.
Уявім, што мы паставілі белую кропку на шыну ровара і просім каго-небудзь падштурхнуць ровар ці вельмі марудна праехаць на ім па прамой, а пакуль будзем назіраць за рухам кропкі. Шлях кропкі, прымацаванай да шыны, будзе атачаць цыклаіду. Вам не трэба праводзіць гэты эксперымент, таму што на малюнку мы ўжо можам бачыць нанесеную на карту цыклаіду і ўсе дарожкі, прызначаныя для бегу шарыкаў. Каб быць сумленным у пачатковай кропцы, мы пабудуем простую рычажную стартавую машыну, якая забяспечыць раўнамерны старт усіх трох шароў. Пацягнуўшы за рычаг, шарыкі адначасова стукнуцца аб дарогу.
Звычайна наша інтуіцыя падказвае нам, што мяч, які ідзе па самай прамой траекторыі, гэта значыць па нахіленай плоскасці, будзе самым хуткім і выйграе. Але ні фізіка, ні жыццё не такія простыя. Пераканайцеся самі, сабраўшы гэтую эксперыментальную прыладу. Якому працаваць. Матэрыялы. Прастакутны кавалак фанеры памерам 600 на 400 міліметраў або коркавая пліта аналагічнага памеру або менш за два метры празрыстай пластыкавай трубы дыяметрам 10 міліметраў, алюмініевы ліст таўшчынёй 1 міліметр, дрот дыяметрам 2 міліметры. , тры аднолькавых шарыка, якія павінны свабодна перамяшчацца ўнутры трубак. Вы можаце выкарыстоўваць сталёвыя шарыкі са зламанага падшыпніка, свінцовы дроб або шарыкі са стрэльбы, у залежнасці ад унутранага дыяметра вашай трубы. Мы будзем вешаць наша прылада на сцяну і для гэтага нам спатрэбяцца два трымальніка, на якія можна павесіць карцінкі. У нас можна купіць ці зрабіць ручкі з дроту сваімі рукамі.
інструменты. Піла, востры нож, пісталет для гарачага клею, дрыль, разак для ліставога металу, абцугі, аловак, перфаратар, дрыль, напільнік па дрэве і дрэмель, які вельмі спрашчае працу. Падстава. На паперы накрэслім прагназуемыя тры шляхавыя маршруты ў маштабе 1:1 па малюнку ў нашым лісце. Першая - прамая. Сегмент другога круга. Трэці маршрут - цыклаіды. Мы можам бачыць гэта на малюнку. Правільны малюнак дарожак трэба перамаляваць на дошку-аснову, каб мы потым ведалі, куды трэба прыляпіць трубы, якія стануць дарожкамі шарыкаў.
Дарожкі для мячоў. Пластыкавыя трубачкі павінны быць празрыстымі, вы можаце бачыць, як у іх рухаюцца нашы шарыкі. Пластыкавыя трубкі танныя і іх лёгка купіць у краме. Мы адрэжам неабходныя адрэзкі труб, прыкладна па 600 міліметраў, а затым крыху ўкароцім іх, падагнаўшы і прымерыўшы да вашага праекту.
Падтрымка пачатку трэкаў. У драўляным бруску памерамі 80х140х15 міліметраў прасвідруеце тры адтуліны дыяметрам трубак. Адтуліна, у якое мы ўтыкаем першую дарожку, г.зн. якая паказвае роўнасць, павінна быць прапілавана і мець форму, як паказана на фота. Справа ў тым, што трубка не выгінаецца пад прамым кутом і максімальна дакранаецца формы плоскасці. Сама трубка таксама абразаецца пад кутом, які яна ўтворыць. Уклейце адпаведныя трубкі ва ўсе гэтыя адтуліны ў блоку.
Загрузачная машына. З алюмініевага ліста таўшчынёй 1 міліметр выразаны два прастакутнікі з памерамі, як паказана на чарцяжы. У першым і другім свідруем па тры адтуліны дыяметрам 7 міліметраў сувосева з такім жа размяшчэннем, як былі прасвідраваны адтуліны ў драўляным бруску, які складае пачатак дарожак. Гэтыя адтуліны будуць стартавымі гнёздамі шарыкаў. Прасвідруйце адтуліны ў другой пласціне дыяметрам 12 міліметраў. Да крайніх бакоў ніжняй пласціны і да іх верхняй пласціны з малодшымі адтулінамі прыляпіце невялікія прастакутныя кавалачкі ліставага металу. Паклапоцімся аб суаснасці гэтых элементаў. Цэнтральная пласціна памерам 45 × 60 мм павінна змяшчацца паміж верхняй і ніжняй пласцінамі і мець магчымасць слізгаць, зачыняючы і адчыняючы адтуліны. Невялікія бляшкі, прылепленыя да ніжняй і верхняй пласцін, будуць абмяжоўваць бакавое перасоўванне цэнтральнай пласціны, каб яна магла перамяшчацца налева і направа пад дзеяннем руху рычага. Прасвідроўваем у гэтай пласціне бачная на чарцяжы адтуліна, у якое будзе змяшчацца рычаг.
рычаг. Яго мы будзем згінаць з дроту дыяметрам 2 міліметры. Дрот можна лёгка атрымаць, адразаўшы адрэзак даўжынёй 150 мм ад драцяной падвескі. Звычайна такую вешалку мы атрымліваем разам з чыстым адзеннем з мыцця, і яна становіцца выдатнай крыніцай прамога і тоўстага дроту для нашых мэт. Сагніце адзін канец дроту пад прамым кутом на адлегласці 15 міліметраў. Іншы канец можна замацаваць, надзеўшы на яго драўляную ручку.
Падтрымка рычага. Ён выраблены з блока памерам 30х30х35 міліметраў вышынёй. У цэнтры блока прасвідроўваем глухую адтуліну дыяметрам 2 міліметра, у якім будзе працаваць наканечнік рычага. Сканчаць. Нарэшце, мы мусім неяк лавіць мячы. Кожны вусень заканчваецца захопам. Яны патрэбны для таго, каб мы не шукалі шарыкі па ўсім пакоі пасля кожнага этапу гульні. Захоп будзем рабіць з 50-міліметровага адрэзка трубы. З аднаго боку абрэжце трубку пад кутом, каб стварыць даўжэйшую сцяну, у якую стукне мяч, які завяршае маршрут. На іншым канцы трубкі прарэжце прарэз, у якую мы змесцім талерку клапана. Пласціна не дасць мячу куды-небудзь выпасці з-пад кантролю. З іншага боку, як толькі мы выцягнем талерку, мяч сам упадзе да нас у рукі.
мантаж прыбора. У правым верхнім куце дошкі, у пазначаным пачатку ўсіх дарожак, прыляпіце наш драўляны брусок, у якім мы прыляплялі трубачкі да асновы. Прыляпіце трубачкі гарачым клеем да дошкі паводле намаляваных ліній. Найбольш выдаленая ад паверхні пліты циклоидальная дарожка падтрымліваецца па сярэдняй даўжыні драўляным бруском вышынёй 35 міліметраў.
Прыляпіце пласціны з адтулінамі да верхняга блока апоры гусеніцы так, каб яны без памылак патрапілі ў адтуліны ў драўляным блоку. Устаўляемы рычаг у адтуліну цэнтральнай пласціны і адзін у кажух пускавой машыны. Устаўляемы канец рычага ў карэтку і зараз можна адзначыць месца, дзе карэтка павінна быць прылеплена да дошкі. Механізм павінен працаваць такім чынам, каб пры павароце рычага налева адчыняліся ўсе адтуліны. Адзначце знойдзенае месца алоўкам і ў завяршэнне прыляпіце апору гарачым клеем.
забава. Вешаем гоначную трасу і адначасова навуковы прыбор на сцяну. Шары аднолькавай вагі і дыяметра размяшчаюцца на сваіх стартавых месцах. Павярніце пускавы рычаг налева, і шарыкі пачнуць рухацца адначасова. Ці думалі мы, што самым хуткім мячом на фінішы будзе мяч, які праехаў па самай кароткай 500-міліметровай дарожцы? Нашая інтуіцыя нас падвяла. Тут гэта ня так. Яна трэцяя на фінішы. Дзіўна, але гэта праўда.
Самым хуткім з'яўляецца той шарык, які рухаецца па цыклаідальным шляху, хоць яго шлях складае 550 міліметраў, а іншым з'яўляецца той, які рухаецца па адрэзку акружнасці. Як жа так атрымалася, што ў пачатковым пункце ўсе шарыкі мелі аднолькавую скорасць? Для ўсіх шароў адна і тая ж розніца патэнцыйнай энергіі была пераўтворана ў кінетычную энергію. Навука раскажа нам, адкуль бярэцца розніца ў часе фінішу.
Такія паводзіны шароў ён тлумачыць дынамічнымі прычынамі. На шарыкі дзейнічаюць пэўныя сілы, званыя сіламі рэакцыі, якія дзейнічаюць на шарыкі з боку дарожак. Гарызантальны складнік сілы рэакцыі ў сярэднім найбольшы для цыклоіды. Гэта таксама выклікае найбольшую сярэднюю гарызантальную паскарэнне гэтага шара. Навуковым фактам з'яўляецца тое, што з усіх крывых, якія злучаюць любыя дзве кропкі гравітацыйнага поту, час падзення циклоиды самы кароткі. Абмеркаваць гэтае цікавае пытанне можна на адным з урокаў фізікі. Магчыма, гэта адкладзе адну з жахлівых старонак.
