Cursa de pilota
Aquesta vegada us proposo fer un dispositiu senzill però eficaç per a l'aula de física. Serà una cursa de pilota. Un altre avantatge del disseny de la pista és que es penja a la paret sense ocupar gaire espai i sempre està preparat per mostrar l'experiència de carrera. Tres boles surten simultàniament des de punts situats a la mateixa alçada. Un vehicle de llançament especialment dissenyat ens ajudarà amb això. Les boles recorreran tres camins diferents.
El dispositiu sembla un tauler penjat a la paret. Tres tubs transparents estan enganxats al tauler, els camins pels quals es mouran les boles. La primera franja és la més curta i té la forma d'un pla inclinat convencional. El segon és el segment del cercle. La tercera banda té la forma d'un fragment de cicloide. Tothom sap què és un cercle, però no sap com és ni d'on ve la cicloide. Permeteu-me que us recordi que una cicloide és una corba traçada per un punt fix al llarg d'un cercle, rodant al llarg d'una línia recta sense relliscar.
Imaginem que posem un punt blanc al pneumàtic d'una bicicleta i li demanem a algú que empeny la bicicleta o que la condueixi molt lentament en línia recta, però de moment observarem el moviment del punt. El recorregut del punt adjunt a l'autobús envoltarà la cicloide. No cal fer aquest experiment, perquè a la figura ja podem veure la cicloide dibuixada al mapa i tots els carrils destinats a que les pilotes circulin. Per ser justos en el punt de partida, construirem una palanca d'arrencada senzilla que arrencarà les tres boles de manera uniforme. Estirant la palanca, les boles toquen la carretera al mateix temps.
Normalment la nostra intuïció ens diu que la pilota que segueixi el camí més directe, és a dir, el pla inclinat, serà la més ràpida i guanyarà. Però ni la física ni la vida són tan senzilles. Comproveu-ho vosaltres mateixos muntant aquest dispositiu experimental. A qui treballar. Materials. Peça rectangular de fusta contraxapada de 600 per 400 mil·límetres o tauler de suro de la mateixa mida o inferior a dos metres de tub de plàstic transparent amb un diàmetre de 10 mil·límetres, làmina d'alumini d'1 mil·límetre de gruix, filferro de 2 mil·límetres de diàmetre. , tres boles idèntiques que s'han de moure lliurement dins dels tubs. Podeu utilitzar boles d'acer amb coixinets trencats, boles de plom o boles d'escopeta, depenent del diàmetre interior de la vostra canonada. Penjarem el nostre dispositiu a la paret i per això necessitem dos suports on penjar-hi quadres. Podeu comprar o fabricar nanses de filferro amb les vostres pròpies mans amb nosaltres.
eines. Serra, ganivet afilat, pistola de cola calenta, trepant, tallador de xapes, alicates, llapis, perforador, trepant, llima de fusta i dremel, que facilita la feina. Base. En paper, dibuixarem les tres rutes de viatge previstes a escala 1:1 segons el dibuix de la nostra carta. El primer és recte. Segment del segon cercle. La tercera ruta són les cicloides. Ho podem veure a la imatge. El dibuix correcte de les vies s'ha de tornar a dibuixar al tauler base, per a saber més endavant on enganxar els tubs que es convertiran en les vies de les boles.
Carrils de pilota. Els tubs de plàstic han de ser transparents, es pot veure com es mouen les nostres boles en ells. Els tubs de plàstic són barats i fàcils de trobar a la botiga. Tallarem les longituds de canonades necessàries, uns 600 mil·límetres, i després les escurçarem una mica, encaixant i provant el vostre projecte.
Suport a l'inici de la pista. En un bloc de fusta de 80x140x15 mil·límetres, fer tres forats amb un diàmetre de tubs. El forat on enganxem la primera pista, és a dir. que representi la uniformitat, s'ha de serrar i donar forma tal com es mostra a la foto. El cas és que el tub no es doblega en angle recte i toca la forma del pla tant com sigui possible. El tub en si es talla també amb l'angle que forma. Enganxeu els tubs adequats a tots aquests forats del bloc.
màquina de càrrega. D'una làmina d'alumini d'1 mm de gruix, tallem dos rectangles amb dimensions, tal com es mostra al dibuix. En el primer i el segon, fem tres forats de 7 mil·límetres de diàmetre coaxialment amb la mateixa disposició que els forats es van fer a la barra de fusta que constitueix l'inici de les vies. Aquests forats seran els nius de partida de les boles. Perforar forats a la segona placa amb un diàmetre de 12 mil·límetres. Enganxeu petites peces rectangulars de xapa a les vores extremes de la placa inferior i a elles de la placa superior amb forats més petits. Cuidem l'alineació d'aquests elements. La placa central de 45 x 60 mm ha d'encaixar entre les plaques superior i inferior i poder lliscar per cobrir i obrir els forats. Les plaques petites enganxades a les plaques inferior i superior restringiran el moviment lateral de la placa central perquè es pugui moure cap a l'esquerra i la dreta amb el moviment de la palanca. Perforem un forat en aquesta placa, visible al dibuix, en el qual es col·locarà la palanca.
palanca. El doblegarem a partir d'un filferro de 2 mil·límetres de diàmetre. El filferro es pot obtenir fàcilment tallant una longitud de 150 mm des del penjador. Normalment aconseguim aquest penjador juntament amb la roba neta del rentat, i es converteix en una excel·lent font de filferro recte i gruixut per als nostres propòsits. Dobleu un extrem del cable en angle recte a una distància de 15 mil·límetres. L'altre extrem es pot assegurar posant-hi un mànec de fusta.
Suport de palanca. Està fet d'un bloc de 30x30x35 mil·límetres d'alçada. Al centre del bloc, fem un forat cec de 2 mil·límetres de diàmetre, en el qual treballarà la punta de la palanca. Final. Finalment, hem d'atrapar les pilotes d'alguna manera. Cada eruga acaba amb una presa. Es necessiten perquè no busquem pilotes per tota la sala després de cada etapa del joc. La captura la farem a partir d'un tros de tub de 50 mm. Per un costat, talleu el tub en angle per crear una paret més llarga que la pilota colpejarà per completar el recorregut. A l'altre extrem del tub, tallem una ranura en la qual col·locarem la placa de la vàlvula. La placa no permetrà que la pilota caigui fora de control en algun lloc. En canvi, tan bon punt traguem el plat, la bola ens caurà a les nostres mans.
Instal·lació del dispositiu. A la cantonada superior dreta del tauler, a l'inici marcat de totes les vies, enganxeu el nostre bloc de fusta en el qual hem enganxat els tubs a la base. Enganxeu els tubs amb cola calenta al tauler segons les línies dibuixades. El camí cicloïdal més allunyat de la superfície de la llosa està recolzat al llarg de la seva longitud mitjana per una barra de fusta de 35 mm d'alçada.
Enganxeu les plaques de forats al bloc de suport de la pista superior perquè encaixin als forats del bloc de fusta sense errors. Introduïm la palanca al forat de la placa central i una a la carcassa de la màquina d'arrencada. Introduïm l'extrem de la palanca al carro i ara podem marcar el lloc on s'ha d'enganxar el carro al tauler. El mecanisme ha de funcionar de manera que quan es gira la palanca cap a l'esquerra, s'obrin tots els forats. Marqueu el lloc trobat amb un llapis i finalment enganxeu el suport amb cola calenta.
Divertit. Pengem la pista de curses i alhora un aparell científic a la paret. Es col·loquen boles del mateix pes i diàmetre als seus llocs de partida. Gireu el gallet cap a l'esquerra i les boles començaran a moure's al mateix temps. Pensàvem que la pilota més ràpida a la meta seria la de la pista de 500 mm més curta? La nostra intuïció ens va fallar. Aquí no és així. Ella és tercera a la meta. Sorprenentment, és cert.
La bola més ràpida és la que es mou per un recorregut cicloïdal, encara que el seu recorregut és de 550 mil·límetres, i l'altra és la que es mou per un segment de cercle. Com va passar que al punt de partida totes les boles tinguessin la mateixa velocitat? Per a totes les boles, la mateixa diferència d'energia potencial es va convertir en energia cinètica. La ciència ens dirà d'on ve la diferència en els temps de finalització.
Explica aquest comportament de les boles per raons dinàmiques. Les boles estan sotmeses a determinades forces, anomenades forces de reacció, que actuen sobre les boles des del costat de les vies. La component horitzontal de la força de reacció és, de mitjana, la més gran per a un cicloide. També provoca la major acceleració horitzontal mitjana d'aquesta bola. És un fet científic que de totes les corbes que connecten dos punts qualsevol de la suor gravitatòria, el temps de caiguda de la cicloide és el més curt. Podeu discutir aquesta interessant pregunta en una de les lliçons de física. Potser això deixarà de banda una de les pàgines terribles.
