Гонки с мячом
На этот раз предлагаю вам сделать простое, но эффективное устройство для кабинета физики. Это будет гонка с мячом. Еще одним преимуществом трековой конструкции является то, что она висит на стене, не занимая много места, и всегда готова продемонстрировать гоночный опыт. Три шара стартуют одновременно из точек, расположенных на одной высоте. В этом нам поможет специально сконструированная стартовая машина. Шарики будут бегать по трем разным дорожкам.
Устройство выглядит как доска, висящая на стене. К доске приклеены три прозрачные трубочки, дорожки, по которым будут двигаться шарики. Первая полоса самая короткая и имеет форму обычной наклонной плоскости. Второй – это сегмент круга. Третья полоса имеет форму фрагмента циклоиды. Все знают, что такое круг, но не знают, как он выглядит и откуда берется циклоида. Напомню, что циклоида — это кривая, проведенная неподвижной точкой по окружности, катящаяся без проскальзывания по прямой.
Представим, что мы поставили белую точку на шину велосипеда и просим кого-нибудь подтолкнуть велосипед или очень медленно проехать на нем по прямой, а пока будем наблюдать за движением точки. Путь точки, прикрепленной к шине, будет окружать циклоиду. Вам не нужно проводить этот эксперимент, потому что на рисунке мы уже можем видеть нанесенную на карту циклоиду и все дорожки, предназначенные для бега шариков. Чтобы быть честным в начальной точке, мы построим простую рычажную стартовую машину, которая обеспечит равномерный старт всех трех шаров. Потянув за рычаг, шарики одновременно ударятся о дорогу.
Обычно наша интуиция подсказывает нам, что мяч, который следует по самой прямой траектории, то есть по наклонной плоскости, будет самым быстрым и выиграет. Но ни физика, ни жизнь не так просты. Убедитесь сами, собрав это экспериментальное устройство. Которому работать. Материалы. Прямоугольный кусок фанеры размером 600 на 400 миллиметров или пробковая плита аналогичного размера или менее двух метров прозрачной пластиковой трубы диаметром 10 миллиметров, алюминиевый лист толщиной 1 миллиметр, проволока диаметром 2 миллиметра. , три одинаковых шарика, которые должны свободно перемещаться внутри трубок. Вы можете использовать стальные шарики из сломанного подшипника, свинцовую дробь или шарики из ружья, в зависимости от внутреннего диаметра вашей трубы. Мы будем вешать наше устройство на стену и для этого нам понадобятся два держателя, на которые можно повесить картинки. У нас можно купить или сделать ручки из проволоки своими руками.
Għodod. Пила, острый нож, пистолет для горячего клея, дрель, резак для листового металла, плоскогубцы, карандаш, перфоратор, дрель, напильник по дереву и дремель, который очень упрощает работу. Основание. На бумаге начертим прогнозируемые три путевых маршрута в масштабе 1:1 по рисунку в нашем письме. Первая — прямая. Сегмент второго круга. Третий маршрут – циклоиды. Мы можем видеть это на картинке. Правильный рисунок дорожек нужно перерисовать на доску-основу, чтобы мы потом знали, куда нужно приклеить трубы, которые станут дорожками шариков.
Дорожки для мячей. Пластиковые трубочки должны быть прозрачными, вы можете видеть, как в них двигаются наши шарики. Пластиковые трубки дешевы и их легко купить в магазине. Мы отрежем необходимые отрезки труб, примерно по 600 миллиметров, а затем немного укоротим их, подогнав и примерив к вашему проекту.
Поддержка начала треков. В деревянном бруске размерами 80х140х15 миллиметров просверлите три отверстия диаметром трубок. Отверстие, в которое мы втыкаем первую дорожку, т.е. изображающую ровность, должно быть пропилено и иметь форму, как показано на фото. Дело в том, что трубка не изгибается под прямым углом и максимально касается формы плоскости. Сама трубка также обрезается под углом, который она образует. Вклейте соответствующие трубки во все эти отверстия в блоке.
Загрузочная машина. Из алюминиевого листа толщиной 1 миллиметр вырезаем два прямоугольника с размерами, как показано на чертеже. В первом и втором сверлим по три отверстия диаметром 7 миллиметров соосно с таким же расположением, как были просверлены отверстия в деревянном бруске, составляющем начало дорожек. Эти отверстия будут стартовыми гнездами шариков. Просверлите отверстия во второй пластине диаметром 12 миллиметров. К крайним краям нижней пластины и к ним верхней пластины с меньшими отверстиями приклейте небольшие прямоугольные кусочки листового металла. Позаботимся о соосности этих элементов. Центральная пластина размером 45 × 60 мм должна помещаться между верхней и нижней пластинами и иметь возможность скользить, закрывая и открывая отверстия. Небольшие бляшки, приклеенные к нижней и верхней пластинам, будут ограничивать боковое перемещение центральной пластины, чтобы она могла перемещаться влево и вправо под действием движения рычага. Просверливаем в этой пластине видимое на чертеже отверстие, в которое будет помещаться рычаг.
driegħ tal-lieva. Его мы будем сгибать из проволоки диаметром 2 миллиметра. Проволоку можно легко получить, отрезав отрезок длиной 150 мм от проволочной подвески. Обычно такую вешалку мы получаем вместе с чистой одеждой из стирки, и она становится отличным источником прямой и толстой проволоки для наших целей. Согните один конец проволоки под прямым углом на расстоянии 15 миллиметров. Другой конец можно закрепить, надев на него деревянную ручку.
Appoġġ tal-lieva. Он изготовлен из блока размером 30х30х35 миллиметров высотой. В центре блока просверливаем глухое отверстие диаметром 2 миллиметра, в котором будет работать наконечник рычага. Заканчивать. Наконец, мы должны как-то ловить мячи. Каждая гусеница заканчивается захватом. Они нужны для того, чтобы мы не искали шарики по всей комнате после каждого этапа игры. Захват будем делать из 50-миллиметрового отрезка трубы. С одной стороны обрежьте трубку под углом, чтобы создать более длинную стену, в которую ударит мяч, завершающий маршрут. На другом конце трубки прорежьте прорезь, в которую мы поместим тарелку клапана. Пластина не даст мячу куда-нибудь выпасть из-под контроля. С другой стороны, как только мы вытащим тарелку, мяч сам упадет к нам в руки.
Монтаж прибора. В правом верхнем углу доски, в обозначенном начале всех дорожек, приклейте наш деревянный брусок, в котором мы приклеивали трубочки к основе. Приклейте трубочки горячим клеем к доске согласно нарисованным линиям. Наиболее удаленная от поверхности плиты циклоидальная дорожка поддерживается по средней длине деревянным бруском высотой 35 миллиметров.
Приклейте пластины с отверстиями к верхнему блоку опоры гусеницы так, чтобы они без ошибок попали в отверстия в деревянном блоке. Вставляем рычаг в отверстие центральной пластины и один в кожух пусковой машины. Вставляем конец рычага в каретку и теперь можно отметить место, где каретка должна быть приклеена к доске. Механизм должен работать таким образом, чтобы при повороте рычага влево открывались все отверстия. Отметьте найденное место карандашом и в завершение приклейте опору горячим клеем.
Pjaċir. Вешаем гоночную трассу и одновременно научный прибор на стену. Шары одинакового веса и диаметра размещаются на своих стартовых местах. Поверните пусковой рычаг влево, и шарики начнут двигаться одновременно. Думали ли мы, что самым быстрым мячом на финише будет мяч, проехавший по самой короткой 500-миллиметровой дорожке? Наша интуиция нас подвела. Здесь это не так. Она третья на финише. Удивительно, но это правда.
Самым быстрым является тот шарик, который движется по циклоидальному пути, хотя его путь составляет 550 миллиметров, а другим является тот, который движется по отрезку окружности. Как же так получилось, что в начальной точке все шарики имели одинаковую скорость? Для всех шаров одна и та же разница потенциальной энергии была преобразована в кинетическую энергию. Наука расскажет нам, откуда берется разница во времени финиша.
Такое поведение шаров он объясняет динамическими причинами. На шарики действуют определенные силы, называемые силами реакции, действующие на шарики со стороны дорожек. Горизонтальная составляющая силы реакции в среднем наибольшая для циклоиды. Это также вызывает наибольшее среднее горизонтальное ускорение этого шара. Научным фактом является то, что из всех кривых, соединяющих любые две точки гравитационного пота, время падения циклоиды самое короткое. Обсудить этот интересный вопрос можно на одном из уроков физики. Возможно, это отложит одну из ужасных страниц.
