Ballrennen
Diesmal schlage ich vor, dass Sie ein einfaches, aber effektives Gerät für Ihren Physikunterricht bauen. Es wird ein Ballrennen. Ein weiterer Vorteil des Track-Designs besteht darin, dass es platzsparend an der Wand hängt und immer bereit ist, Ihr Rennerlebnis zur Schau zu stellen. Drei Bälle starten gleichzeitig von Punkten auf gleicher Höhe. Dabei hilft uns eine speziell entwickelte Startmaschine. Die Bälle laufen auf drei verschiedenen Bahnen.
Das Gerät sieht aus wie ein an der Wand hängendes Brett. Auf das Brett sind drei durchsichtige Röhren geklebt, die Bahnen, auf denen sich die Kugeln bewegen. Der erste Streifen ist der kürzeste und hat die Form einer herkömmlichen schiefen Ebene. Das zweite ist das Kreissegment. Das dritte Band hat die Form eines Fragments einer Zykloide. Jeder weiß, was ein Kreis ist, aber er weiß nicht, wie er aussieht und woher die Zykloide kommt. Ich möchte Sie daran erinnern, dass eine Zykloide eine Kurve ist, die von einem festen Punkt entlang eines Kreises gezogen wird und entlang einer geraden Linie rollt, ohne zu rutschen.
Stellen wir uns vor, wir bringen einen weißen Punkt auf einen Fahrradreifen und bitten jemanden, das Fahrrad zu schieben oder ganz langsam geradeaus zu fahren, während wir die Bewegung des Punktes beobachten. Der Pfad eines an einen Bus angeschlossenen Punktes umgibt die Zykloide. Sie müssen dieses Experiment nicht durchführen, da wir im Bild bereits die abgebildete Zykloide und alle Laufbahnen für die Kugeln sehen können. Um fair zu sein, werden wir zum Startpunkt eine einfache Hebelstartmaschine bauen, die sicherstellt, dass alle drei Bälle gleichmäßig starten. Durch Ziehen des Hebels landen die Kugeln gleichzeitig auf der Straße.
Normalerweise sagt uns unsere Intuition, dass der Ball, der dem geradesten Weg, also der schiefen Ebene, folgt, am schnellsten ist und gewinnt. Aber weder die Physik noch das Leben sind so einfach. Überzeugen Sie sich selbst, indem Sie dieses Experimentiergerät bauen. Welches sollte funktionieren? Material. Ein rechteckiges Stück Sperrholz mit den Maßen 600 x 400 Millimeter oder eine Korkplatte ähnlicher Größe oder weniger als zwei Meter transparentes Kunststoffrohr mit einem Durchmesser von 10 Millimetern, ein 1 Millimeter dickes Aluminiumblech, ein Draht mit einem Durchmesser von 2 Millimetern. , drei identische Kugeln, die sich in den Röhren frei bewegen müssen. Abhängig vom Innendurchmesser Ihres Rohrs können Sie Stahlkugeln aus einem kaputten Lager, Bleischrot oder Schrotkugeln verwenden. Wir werden unser Gerät an die Wand hängen und dafür benötigen wir zwei Halterungen, an denen wir Bilder aufhängen können. Sie können bei uns Drahtgriffe kaufen oder mit Ihren eigenen Händen herstellen.
Werkzeuge. Säge, scharfes Messer, Heißklebepistole, Bohrer, Blechschneider, Zange, Bleistift, Locher, Bohrer, Holzfeile und Dremel, was die Arbeit sehr einfach macht. Base. Auf Papier zeichnen wir die prognostizierten drei Reiserouten im Maßstab 1:1 gemäß der Zeichnung in unserem Schreiben. Der erste ist gerade. Segment des zweiten Kreises. Die dritte Route sind Zykloiden. Wir können es auf dem Bild sehen. Die richtige Zeichnung der Bahnen muss auf der Grundplatte neu gezeichnet werden, damit wir später wissen, wo wir die Rohre kleben müssen, die die Bahnen der Kugeln werden.
Kugelbahnen. Die Kunststoffröhrchen sollten durchsichtig sein, man kann sehen, wie sich unsere Kugeln darin bewegen. Kunststoffschläuche sind günstig und einfach im Laden zu kaufen. Wir schneiden die benötigten Rohrabschnitte von ca. 600 Millimetern ab, kürzen sie dann ein wenig und passen sie an Ihr Projekt an.
Track-Start-Unterstützung. Bohren Sie in einen Holzblock mit den Maßen 80x140x15 Millimeter drei Löcher mit dem Durchmesser der Rohre. Das Loch, in das wir die erste Schiene stecken, d.h. die Ebenheit darstellen, müssen wie auf dem Foto gezeigt gesägt und geformt werden. Tatsache ist, dass sich das Rohr nicht im rechten Winkel biegt und die Form der Ebene so weit wie möglich berührt. Auch das Rohr selbst wird im entsprechenden Winkel geschnitten. Kleben Sie die entsprechenden Rohre in alle diese Löcher im Block.
Lademaschine. Schneiden Sie aus einem 1 Millimeter dicken Aluminiumblech zwei Rechtecke mit den Abmessungen gemäß der Zeichnung aus. Im ersten und zweiten Schritt bohren wir drei Löcher mit einem Durchmesser von 7 Millimetern koaxial an der gleichen Stelle, an der die Löcher in den Holzblock gebohrt wurden, der den Anfang der Wege bildet. Diese Löcher werden die Startnester für die Bälle sein. Bohren Sie Löcher in die zweite Platte mit einem Durchmesser von 12 Millimetern. Kleben Sie kleine rechteckige Blechstücke an die Außenkanten der Bodenplatte und an diese der Oberplatte mit kleineren Löchern. Kümmern wir uns um die Ausrichtung dieser Elemente. Die 45 x 60 mm große Mittelplatte muss zwischen die obere und untere Platte passen und sich verschieben lassen, um die Löcher zu schließen und zu öffnen. Kleine Plaketten, die auf die Unter- und Oberplatten geklebt sind, begrenzen die seitliche Bewegung der Mittelplatte, sodass sie sich mit der Bewegung des Hebels nach links und rechts bewegen kann. In diese Platte bohren wir ein Loch (siehe Zeichnung), in das der Hebel eingesetzt wird.
Hebel. Wir werden es aus Draht mit einem Durchmesser von 2 Millimetern biegen. Der Draht lässt sich leicht erhalten, indem man ein 150 mm langes Stück von einem Drahtbügel abschneidet. Normalerweise erhalten wir einen solchen Kleiderbügel zusammen mit sauberer Kleidung aus der Wäsche, und er ist eine hervorragende Quelle für geraden und dicken Draht für unsere Zwecke. Biegen Sie ein Ende des Drahtes im Abstand von 15 Millimetern rechtwinklig. Das andere Ende kann durch Anbringen eines Holzgriffs gesichert werden.
Hebelunterstützung. Es besteht aus einem 30x30x35 Millimeter hohen Block. In der Mitte des Blocks bohren wir ein Sackloch mit einem Durchmesser von 2 Millimetern, in dem die Spitze des Hebels arbeitet. Ende. Schließlich müssen wir die Bälle irgendwie fangen. Jede Spur endet mit einem Greifer. Sie werden benötigt, damit wir nicht nach jeder Spielphase im ganzen Raum nach Bällen suchen. Den Griff fertigen wir aus einem 50 mm Rohrstück. Schneiden Sie das Rohr auf einer Seite schräg ab, um eine längere Wand zu schaffen, die der Ball treffen kann, um die Route zu vervollständigen. Schneiden Sie am anderen Ende des Rohrs einen Schlitz aus, in den wir die Ventilplatte einsetzen. Die Platte verhindert, dass der Ball überall außer Kontrolle gerät. Sobald wir hingegen die Platte herausziehen, fällt uns der Ball selbst in die Hände.
Installation des Geräts. Kleben Sie in der oberen rechten Ecke des Bretts, am vorgesehenen Anfang aller Wege, unseren Holzblock, in den wir die Rohre geklebt haben, auf die Basis. Kleben Sie die Rohre gemäß den gezeichneten Linien heiß auf die Platine. Die am weitesten von der Plattenoberfläche entfernte Zykloidenschiene wird in ihrer Mittellänge von einem 35 Millimeter hohen Holzblock getragen.
Kleben Sie die Lochplatten so auf den oberen Schienenstützblock, dass sie genau in die Löcher im Holzblock passen. Wir stecken den Hebel in das Loch in der Mittelplatte und einen in das Gehäuse des Werfers. Wir stecken das Ende des Hebels in den Schlitten und nun können Sie die Stelle markieren, an der der Schlitten auf die Platine geklebt werden soll. Der Mechanismus muss so funktionieren, dass beim Drehen des Hebels nach links alle Löcher geöffnet werden. Markieren Sie die gefundene Stelle mit einem Bleistift und kleben Sie abschließend den Träger mit Heißkleber fest.
Забава. Wir hängen gleichzeitig eine Rennstrecke und ein wissenschaftliches Instrument an die Wand. Kugeln mit gleichem Gewicht und gleichem Durchmesser werden an ihren Startplätzen platziert. Drehen Sie den Abzugshebel nach links und die Kugeln beginnen sich gleichzeitig zu bewegen. Dachten wir, dass der Ball, der die kürzeste 500-mm-Bahn zurückgelegt hat, am schnellsten ins Ziel kommt? Unsere Intuition hat uns im Stich gelassen. Dies ist hier nicht der Fall. Als Dritte erreicht sie das Ziel. Überraschenderweise ist es wahr.
Der schnellste ist der Ball, der sich auf einer Zykloidenbahn bewegt, obwohl seine Bahn 550 Millimeter beträgt, und der andere ist derjenige, der sich auf einem Kreissegment bewegt. Wie kam es, dass am Startpunkt alle Kugeln die gleiche Geschwindigkeit hatten? Bei allen Kugeln wurde die gleiche Differenz der potentiellen Energie in kinetische Energie umgewandelt. Die Wissenschaft wird uns sagen, woher der Unterschied in den Endzeiten kommt.
Er erklärt dieses Verhalten der Bälle mit dynamischen Gründen. Die Kugeln unterliegen bestimmten Kräften, sogenannten Reaktionskräften, die von der Seite der Schienen auf die Kugeln einwirken. Die horizontale Komponente der Reaktionskraft ist bei der Zykloide im Durchschnitt am größten. Dies verursacht auch die größte durchschnittliche horizontale Beschleunigung dieses Balls. Es ist eine wissenschaftliche Tatsache, dass von allen Kurven, die zwei beliebige Punkte des Gravitationsschweißes verbinden, die Fallzeit der Zykloide die kürzeste ist. Diese interessante Frage können Sie in einer der Physikstunden besprechen. Vielleicht wird dadurch eine der schrecklichen Seiten beiseite gelegt.
