Carreira de balón
Nesta ocasión propóñovos facer un aparello sinxelo pero eficaz para a aula de física. Será unha carreira de pelota. Outra vantaxe do deseño da pista é que colga na parede sen ocupar moito espazo e sempre está preparado para mostrar a experiencia de carreira. Tres bólas parten simultáneamente desde puntos situados á mesma altura. Un vehículo de lanzamento especialmente deseñado axudaranos con isto. As bólas percorrerán tres camiños diferentes.
O dispositivo parece un taboleiro colgado na parede. Tres tubos transparentes están pegados ao taboleiro, os camiños polos que se moverán as bolas. A primeira franxa é a máis curta e ten a forma dun plano inclinado convencional. O segundo é o segmento do círculo. A terceira banda ten forma de fragmento de cicloide. Todo o mundo sabe o que é un círculo, pero non sabe como é e de onde vén a cicloide. Permíteme lembrar que unha cicloide é unha curva trazada por un punto fixo ao longo dun círculo, rodando ao longo dunha liña recta sen esvarar.
Imaxinemos que poñemos un punto branco no neumático dunha bicicleta e pedimos a alguén que empuxe a bicicleta ou que a monte moi lentamente en liña recta, pero de momento observaremos o movemento do punto. O trazado do punto pegado ao autobús rodeará a cicloide. Non é preciso facer este experimento, porque na figura xa podemos ver a cicloide trazada no mapa e todos os carrís destinados a que corran as bólas. Para ser xustos no punto de partida, imos construír un arrancador de panca sinxela que arrancará as tres bólas de xeito uniforme. Ao tirar da panca, as bolas chegan á estrada ao mesmo tempo.
Normalmente a nosa intuición dinos que a pelota que siga o camiño máis directo, é dicir, o plano inclinado, será a máis rápida e gañará. Pero nin a física nin a vida son tan sinxelas. Comproba por ti mesmo montando este dispositivo experimental. Quen traballar. Materiais. Peza rectangular de madeira contrachapada de 600 por 400 milímetros ou taboleiro de cortiza do mesmo tamaño ou inferior a dous metros de tubo de plástico transparente de 10 milímetros de diámetro, chapa de aluminio de 1 milímetro de espesor, arame de 2 milímetros de diámetro. , tres bólas idénticas que deben moverse libremente dentro dos tubos. Podes usar bolas de aceiro de rodamentos rotos, pernas de chumbo ou bolas de escopeta, dependendo do diámetro interior da túa tubería. Colgaremos o noso aparello na parede e para iso necesitamos dous soportes nos que colgar imaxes. Podes mercar ou fabricar mangos de arame coas túas propias mans.
Ferramentas. Serra, coitelo afiado, pistola de pegamento en quente, broca, cortador de chapas, alicates, lapis, perforadora, broca, lima de madeira e dremel que facilitan moito o traballo. Base. En papel, debuxaremos as tres rutas de viaxe previstas nunha escala 1:1 segundo o debuxo da nosa carta. O primeiro é recto. Segmento do segundo círculo. A terceira ruta son as cicloides. Podemos velo na imaxe. O debuxo correcto das pistas cómpre volver a debuxar no taboleiro base, para que despois saibamos onde pegar os tubos que se converterán nas pistas das bólas.
Pistas de balón. Os tubos de plástico deben ser transparentes, podes ver como se moven as nosas bólas neles. Os tubos de plástico son baratos e fáciles de atopar na tenda. Cortaremos as lonxitudes necesarias de tubos, aproximadamente 600 milímetros, e despois acurtarémolas un pouco, encaixándoas e probando o teu proxecto.
Soporte de inicio da pista. Nun bloque de madeira de 80x140x15 milímetros, fai tres buratos cun diámetro de tubos. O burato no que pegamos a primeira pista, é dicir. representando a uniformidade, debe ser serrado e conformado como se mostra na foto. O caso é que o tubo non se dobra en ángulo recto e toca o máximo posible a forma do avión. O propio tubo tamén se corta no ángulo que forma. Pega os tubos axeitados en todos estes buratos do bloque.
máquina de carga. A partir dunha folla de aluminio de 1 mm de espesor, recortamos dous rectángulos con dimensións, como se mostra no debuxo. No primeiro e segundo realizamos coaxialmente tres buratos de 7 milímetros de diámetro coa mesma disposición que se fixeron os buratos na barra de madeira que constitúe o inicio das vías. Estes buratos serán os niños de partida para as bolas. Realiza buracos na segunda placa cun diámetro de 12 milímetros. Pega pequenas pezas rectangulares de chapa metálica aos bordos extremos da placa inferior e a elas da placa superior con orificios máis pequenos. Coidemos o aliñamento destes elementos. A placa central de 45 x 60 mm debe encaixar entre as placas superior e inferior e poder deslizarse para cubrir e abrir os orificios. Pequenas placas pegadas ás placas inferior e superior restrinxirán o movemento lateral da placa central para que poida moverse á esquerda e á dereita co movemento da panca. Facemos un burato nesta placa, visible no debuxo, no que se colocará a panca.
brazo de panca. Dobrarémolo a partir dun arame de 2 milímetros de diámetro. O fío pódese obter facilmente cortando unha lonxitude de 150 mm desde o colgador de fío. Normalmente recibimos un colgador deste tipo xunto coa roupa limpa do lavado e convértese nunha excelente fonte de fío recto e groso para os nosos propósitos. Dobra un extremo do fío en ángulo recto a unha distancia de 15 milímetros. O outro extremo pódese asegurar poñendo un mango de madeira.
Soporte de palanca. Está feito dun bloque de 30x30x35 milímetros de alto. No centro do bloque, perforamos un burato cego cun diámetro de 2 milímetros, no que traballará a punta da panca. Fin. Finalmente, temos que coller as bólas dalgún xeito. Cada eiruga remata cunha empuñadura. Son necesarios para que non busquemos balóns por toda a sala despois de cada etapa do xogo. A captura faremos a partir dun anaco de tubo de 50 mm. Por un lado, corta o tubo en ángulo para crear unha parede máis longa que a pelota golpeará para completar o percorrido. No outro extremo do tubo cortamos unha ranura na que colocaremos a placa da válvula. A placa non permitirá que a pelota se descontrole en ningún lugar. Por outra banda, en canto saquemos o prato, a propia bóla caerá nas nosas mans.
Montaxe do dispositivo. Na esquina superior dereita do taboleiro, no inicio sinalado de todas as pistas, pegamos o noso bloque de madeira no que pegamos os tubos á base. Pega os tubos con cola quente ao taboleiro segundo as liñas debuxadas. O camiño cicloidal máis afastado da superficie do forxado está apoiado ao longo da súa lonxitude media por unha barra de madeira de 35 mm de altura.
Pega as placas do burato ao bloque de soporte da pista superior para que encaixan nos buratos do bloque de madeira sen erros. Introducimos a panca no orificio da placa central e outra na carcasa da máquina de arranque. Introducimos o extremo da panca no carro e agora podemos marcar o lugar onde se debe pegar o carro ao taboleiro. O mecanismo debe funcionar de tal xeito que cando se xira a panca cara á esquerda, todos os buratos se abren. Marca o lugar atopado cun lapis e finalmente pega o soporte con cola quente.
Diversión. Colgamos na parede a pista de carreiras e ao mesmo tempo un artefacto científico. Colócanse bólas do mesmo peso e diámetro nos seus lugares de partida. Xire o gatillo cara á esquerda e as bolas comezarán a moverse ao mesmo tempo. Pensabamos que a pelota máis rápida na meta sería a da pista de 500 mm máis curta? A nosa intuición fallounos. Aquí non é así. Ela é terceira na meta. Sorprendentemente, é verdade.
A bóla máis rápida é a que se move por un traxecto cicloidal, aínda que o seu percorrido é de 550 milímetros, e a outra é a que se move por un segmento de círculo. Como ocorreu que no punto de partida todas as bólas tiñan a mesma velocidade? Para todas as bólas, a mesma diferenza de enerxía potencial converteuse en enerxía cinética. A ciencia indicaranos de onde vén a diferenza de tempos de chegada.
Explica este comportamento das bólas por razóns dinámicas. As bólas están sometidas a certas forzas, chamadas forzas de reacción, que actúan sobre as bólas dende o lado das vías. A compoñente horizontal da forza de reacción é, de media, a maior para unha cicloide. Tamén provoca a maior aceleración horizontal media desa bola. É un feito científico que de todas as curvas que conectan dous puntos calquera da suor gravitatoria, o tempo de caída da cicloide é o máis curto. Podes discutir esta interesante pregunta nunha das leccións de física. Quizais isto deixará de lado unha das terribles páxinas.
