سباق الكرة
أقترح عليك هذه المرة أن تصنع جهازًا بسيطًا ولكنه فعال لفصل الفيزياء. سيكون سباق الكرة. ميزة أخرى لتصميم المسار هي أنه يتم تعليقه على الحائط دون أن يشغل مساحة كبيرة ويكون دائمًا جاهزًا لإظهار تجربة السباق. تبدأ ثلاث كرات في وقت واحد من نقاط تقع على نفس الارتفاع. ستساعدنا مركبة الإطلاق المصممة خصيصًا في ذلك. سيتم تشغيل الكرات على طول ثلاثة مسارات مختلفة.
يبدو الجهاز وكأنه لوح معلق على الحائط. يتم لصق ثلاث أنابيب شفافة على السبورة ، حيث ستتحرك الكرات على طولها. الشريط الأول هو الأقصر وله شكل مستوى مائل تقليدي. الثاني هو قطعة الدائرة. الفرقة الثالثة على شكل جزء من دائري. يعلم الجميع ما هي الدائرة ، لكنهم لا يعرفون كيف تبدو ومن أين يأتي الدائرى. اسمحوا لي أن أذكرك أن الدائرة الحلقية هي منحنى مرسوم بنقطة ثابتة على طول دائرة ، تتدحرج على طول خط مستقيم دون انزلاق.
لنتخيل أننا وضعنا نقطة بيضاء على إطار دراجة هوائية وطلبنا من شخص ما أن يدفع الدراجة أو يركبها ببطء شديد في خط مستقيم، ولكن في الوقت الحالي سنلاحظ حركة النقطة. سوف يحيط مسار النقطة الملحقة بالحافلة بالدوري. لا تحتاج إلى إجراء هذه التجربة، لأنه في الشكل يمكننا بالفعل رؤية الشكل الدائري المرسوم على الخريطة وجميع الممرات المخصصة لتشغيل الكرات. لكي نكون منصفين فيما يتعلق بنقطة البداية، سنقوم ببناء رافعة بسيطة لبدء تشغيل الكرات الثلاث بالتساوي. عن طريق سحب الرافعة، تضرب الكرات الطريق في نفس الوقت.
عادةً ما يخبرنا حدسنا أن الكرة التي تتبع المسار الأكثر مباشرة، أي المستوى المائل، ستكون الأسرع وتفوز. لكن لا الفيزياء ولا الحياة بهذه البساطة. شاهد بنفسك من خلال تجميع هذا الجهاز التجريبي. من العمل. مواد. قطعة مستطيلة من الخشب الرقائقي مقاس 600 في 400 ملم أو لوح فلين من نفس الحجم أو أقل من مترين من الأنابيب البلاستيكية الشفافة بقطر 10 ملم، وألواح الألمنيوم بسمك 1 ملم، وسلك بقطر 2 ملم. ثلاث كرات متطابقة يجب أن تتحرك بحرية داخل الأنابيب. يمكنك استخدام الكرات الفولاذية المكسورة أو الرصاص أو كرات البندقية اعتمادًا على القطر الداخلي للأنبوب. سنقوم بتعليق أجهزتنا على الحائط ولهذا نحتاج إلى حاملين لتعليق الصور عليهما. يمكنك شراء أو صنع مقابض سلكية بيديك منا.
أدوات. المنشار ، السكين الحاد ، مسدس الغراء الساخن ، المثقاب ، قاطع الصفائح المعدنية ، الكماشة ، قلم الرصاص ، المثقاب ، المثقاب ، ملف الخشب و dremel مما يجعل المهمة سهلة للغاية. قاعدة. على الورق ، سنرسم مسارات السفر الثلاثة المتوقعة بمقياس 1: 1 وفقًا للرسم الوارد في رسالتنا. الأول هو مستقيم. قطعة من الدائرة الثانية. الطريق الثالث هو cycloids. يمكننا رؤيته في الصورة. يجب إعادة رسم الرسم الصحيح للمسارات على اللوحة الأساسية ، حتى نعرف لاحقًا مكان لصق الأنابيب التي ستصبح مسارات الكرات.
ممرات الكرة. يجب أن تكون الأنابيب البلاستيكية شفافة، ويمكنك أن ترى كيف تتحرك الكرات فيها. الأنابيب البلاستيكية رخيصة الثمن ويسهل العثور عليها في المتجر. سنقوم بقطع الأطوال المطلوبة للأنابيب، حوالي 600 ملم، ثم نقوم بتقصيرها قليلاً، وتركيبها وتجربتها على مشروعك.
دعم بدء المسار. في كتلة خشبية مقاس 80 × 140 × 15 ملم، قم بحفر ثلاثة ثقوب بقطر من الأنابيب. الحفرة التي نلصق فيها المسار الأول، أي. يجب أن يتم نشرها وتشكيلها كما هو موضح في الصورة. والحقيقة هي أن الأنبوب لا ينحني بزاوية قائمة ويلامس شكل الطائرة قدر الإمكان. يتم أيضًا قطع الأنبوب نفسه بالزاوية التي يتشكل بها. قم بلصق الأنابيب المناسبة في كل هذه الثقوب الموجودة في الكتلة.
آلة التحميل. من لوح الألمنيوم بسمك 1 مم، نقطع مستطيلين بأبعادهما كما هو موضح في الرسم. في الأول والثاني نقوم بحفر ثلاثة ثقوب بقطر 7 ملليمترات بشكل محوري بنفس الترتيب الذي تم فيه حفر الثقوب في الشريط الخشبي الذي يشكل بداية المسارات. ستكون هذه الثقوب بمثابة أعشاش البداية للكرات. حفر ثقوب في اللوحة الثانية بقطر 12 ملم. قم بلصق قطع صغيرة مستطيلة من الصفائح المعدنية على الحواف القصوى للوحة السفلية وللوحة العلوية بفتحات أصغر. دعونا نعتني بمحاذاة هذه العناصر. يجب أن تتلاءم اللوحة المركزية مقاس 45 × 60 مم بين الألواح العلوية والسفلية وأن تكون قادرة على الانزلاق لتغطية الفتحات وفتحها. ستقيد اللوحات الصغيرة الملتصقة بالألواح السفلية والعلوية الحركة الجانبية للوحة المركزية بحيث يمكنها التحرك يسارًا ويمينًا مع حركة الرافعة. نقوم بحفر ثقب في هذه اللوحة، مرئي في الرسم، حيث سيتم وضع الرافعة.
رافعة. سنقوم بثنيه من سلك يبلغ قطره 2 ملم. يمكن الحصول على السلك بسهولة عن طريق قطع طول 150 ملم من علاقة السلك. عادةً ما نحصل على مثل هذه العلاقة مع الملابس النظيفة من الغسيل، وتصبح مصدرًا ممتازًا للأسلاك المستقيمة والسميكة لأغراضنا. قم بثني أحد طرفي السلك بزاوية قائمة على مسافة 15 ملم. ويمكن تأمين الطرف الآخر بوضع مقبض خشبي عليه.
رافعة الدعم. وهي مصنوعة من كتلة يبلغ ارتفاعها 30x30x35 ملم. في وسط الكتلة، نقوم بحفر ثقب أعمى بقطر 2 ملم، حيث سيعمل طرف الرافعة. نهاية. وأخيرا، يجب علينا بطريقة أو بأخرى التقاط الكرات. تنتهي كل كاتربيلر بقبضة. إنها ضرورية حتى لا نبحث عن الكرات في جميع أنحاء الغرفة بعد كل مرحلة من مراحل اللعبة. سنقوم بالالتقاط من قطعة أنبوب بحجم 50 مم. من أحد الجوانب، قم بقطع الأنبوب بزاوية لإنشاء جدار أطول ستضربه الكرة لإكمال المسار. في الطرف الآخر من الأنبوب، قم بقطع فتحة سنضع فيها لوحة الصمام. لن تسمح اللوحة للكرة بالخروج عن نطاق السيطرة في مكان ما. من ناحية أخرى، بمجرد سحب اللوحة، سوف تقع الكرة نفسها في أيدينا.
تركيب الجهاز. في الزاوية اليمنى العليا من اللوحة، في البداية المحددة لجميع المسارات، قم بغراء الكتلة الخشبية التي قمنا بلصق الأنابيب على القاعدة. قم بلصق الأنابيب بالغراء الساخن على اللوحة وفقًا للخطوط المرسومة. يتم دعم المسار الدائري الأبعد عن سطح البلاطة على طول متوسطه بواسطة كتلة خشبية يبلغ ارتفاعها 35 مم.
قم بلصق ألواح الفتحات على كتلة دعم المسار العلوي بحيث تتلاءم مع الفتحات الموجودة في الكتلة الخشبية دون أخطاء. نقوم بإدخال الرافعة في فتحة اللوحة المركزية وواحدة في غلاف آلة البدء. نقوم بإدخال نهاية الرافعة في العربة ويمكننا الآن تحديد المكان الذي يجب لصق العربة فيه على اللوحة. يجب أن تعمل الآلية بحيث يتم فتح جميع الثقوب عند إدارة الرافعة إلى اليسار. قم بتمييز المكان الذي تم العثور عليه بقلم رصاص وأخيرًا قم بلصق الدعامة بالغراء الساخن.
مرح. نعلق مسار السباق وفي نفس الوقت جهازًا علميًا على الحائط. يتم وضع الكرات التي لها نفس الوزن والقطر في أماكن البداية. أدر الزناد إلى اليسار وستبدأ الكرات في التحرك في نفس الوقت. هل اعتقدنا أن أسرع كرة عند خط النهاية ستكون تلك الموجودة على أقصر مسار بطول 500 مم؟ لقد خذلنا حدسنا. هنا ليس الأمر كذلك. وهي الثالثة في خط النهاية. من المثير للدهشة أن هذا صحيح.
أسرع كرة هي التي تتحرك على طول مسار دائري، على الرغم من أن مسارها يبلغ 550 ملم، والأخرى هي التي تتحرك على طول قطعة من الدائرة. كيف حدث أن جميع الكرات عند نقطة البداية كانت لها نفس السرعة؟ بالنسبة لجميع الكرات، تم تحويل نفس فرق الطاقة المحتملة إلى طاقة حركية. سيخبرنا العلم من أين يأتي الفرق في أوقات الانتهاء.
ويفسر هذا السلوك للكرات بأسباب ديناميكية. تخضع الكرات لقوى معينة تسمى قوى رد الفعل، تعمل على الكرات من جانب المسارات. إن المكون الأفقي لقوة التفاعل هو، في المتوسط، الأكبر بالنسبة للدويري. كما أنها تسبب أكبر متوسط تسارع أفقي لهذه الكرة. إنها حقيقة علمية أنه من بين جميع المنحنيات التي تربط أي نقطتين من نقاط عرق الجاذبية، فإن زمن سقوط الدائري هو الأقصر. يمكنك مناقشة هذا السؤال المثير للاهتمام في أحد دروس الفيزياء. ربما هذا سوف يضع جانبا واحدة من الصفحات الرهيبة.
