Corrida de bola
Desta vez, sugiro que você faça um dispositivo simples, mas eficaz, para a sala de aula de física. Será uma corrida de bola. Outra vantagem do design da pista é que ele fica pendurado na parede sem ocupar muito espaço e está sempre pronto para mostrar a experiência de corrida. Três bolas partem simultaneamente de pontos localizados na mesma altura. Um veículo de lançamento especialmente projetado nos ajudará com isso. As bolas correrão ao longo de três caminhos diferentes.
O dispositivo parece uma placa pendurada na parede. Três tubos transparentes são colados ao tabuleiro, os caminhos pelos quais as bolas se moverão. A primeira faixa é a mais curta e tem a forma de um plano inclinado convencional. O segundo é o segmento do círculo. A terceira banda está na forma de um fragmento de uma ciclóide. Todos sabem o que é um círculo, mas não sabem como ele é e de onde vem a cicloide. Deixe-me lembrá-lo de que uma ciclóide é uma curva desenhada por um ponto fixo ao longo de um círculo, rolando ao longo de uma linha reta sem escorregar.
Vamos imaginar que colocamos um ponto branco no pneu de uma bicicleta e pedimos a alguém que empurre a bicicleta ou ande bem devagar em uma linha reta, mas por enquanto vamos observar o movimento do ponto. A trajetória do ponto ligado ao barramento circundará a ciclóide. Você não precisa fazer esse experimento, pois na figura já podemos ver a ciclóide plotada no mapa e todas as pistas destinadas para as bolas correrem. Para ser justo no ponto de partida, construiremos uma alavanca de partida simples que iniciará todas as três bolas uniformemente. Ao puxar a alavanca, as bolas atingem a estrada ao mesmo tempo.
Normalmente nossa intuição nos diz que a bola que seguir o caminho mais direto, ou seja, o plano inclinado, será a mais rápida e vencerá. Mas nem a física nem a vida são tão simples. Veja você mesmo montando este dispositivo experimental. Quem trabalhar. Materiais. Peça retangular de compensado de 600 por 400 milímetros ou placa de cortiça do mesmo tamanho ou inferior a dois metros de tubo plástico transparente com diâmetro de 10 milímetros, chapa de alumínio de 1 milímetro de espessura, arame de 2 milímetros de diâmetro. , três bolas idênticas que devem se mover livremente dentro dos tubos. Você pode usar esferas de aço com rolamento quebrado, chumbo ou espingarda, dependendo do diâmetro interno do tubo. Vamos pendurar nosso dispositivo na parede e para isso precisamos de dois suportes para pendurar fotos. Você pode comprar ou fazer alças de arame com suas próprias mãos.
Ferramentas. Serra, faca afiada, pistola de cola quente, furadeira, cortador de chapa, alicate, lápis, furadeira, furadeira, lima para madeira e dremel que facilitam muito o trabalho. Base. No papel, traçaremos as três rotas de viagem previstas em uma escala de 1: 1 de acordo com o desenho de nossa carta. A primeira é reta. Segmento do segundo círculo. A terceira rota é cicloides. Podemos ver na foto. O desenho correto dos trilhos precisa ser redesenhado na placa de base, para que depois saibamos onde colar os canos que se tornarão os trilhos das bolas.
Pistas de bola. Os tubos de plástico devem ser transparentes, você pode ver como nossas bolas se movem neles. Os tubos de plástico são baratos e fáceis de encontrar na loja. Cortaremos os comprimentos necessários de tubos, aproximadamente 600 milímetros, e depois os encurtaremos um pouco, ajustando e experimentando seu projeto.
Suporte ao início da trilha. Em um bloco de madeira de 80x140x15 milímetros, faça três furos com diâmetro de tubos. O buraco no qual enfiamos a primeira faixa, ou seja, mostrando regularidade, deve ser serrado e moldado como mostrado na foto. O fato é que o tubo não se dobra em ângulo reto e toca a forma do plano o máximo possível. O próprio tubo também é cortado no ângulo que forma. Cole os tubos apropriados em todos esses furos no bloco.
máquina de carregamento. De uma folha de alumínio de 1 mm de espessura, recortamos dois retângulos com dimensões, conforme mostrado no desenho. Na primeira e na segunda, fazemos três furos com 7 milímetros de diâmetro coaxialmente com a mesma disposição dos furos que foram feitos na barra de madeira que constitui o início dos trilhos. Esses buracos serão os ninhos iniciais para as bolas. Faça furos na segunda placa com um diâmetro de 12 milímetros. Cole pequenos pedaços retangulares de chapa de metal nas bordas extremas da placa inferior e nas bordas da placa superior com furos menores. Vamos cuidar do alinhamento desses elementos. A placa central de 45 x 60 mm deve caber entre as placas superior e inferior e poder deslizar para cobrir e abrir os orifícios. Pequenas placas coladas nas placas inferior e superior irão restringir o movimento lateral da placa central para que ela possa se mover para a esquerda e para a direita com o movimento da alavanca. Fazemos um furo nesta placa, visível no desenho, no qual a alavanca será colocada.
alavanca. Vamos dobrá-lo a partir de um fio com um diâmetro de 2 milímetros. O fio pode ser facilmente obtido cortando um comprimento de 150 mm do suporte de fio. Normalmente, pegamos esse cabide junto com roupas limpas da lavagem, e ele se torna uma excelente fonte de arame reto e grosso para nossos propósitos. Dobre uma extremidade do fio em um ângulo reto a uma distância de 15 milímetros. A outra extremidade pode ser fixada colocando uma alça de madeira sobre ela.
Suporte de alavanca. É feito de um bloco de 30x30x35 milímetros de altura. No centro do bloco, perfuramos um furo cego com diâmetro de 2 milímetros, no qual a ponta da alavanca funcionará. Fim. Finalmente, devemos de alguma forma pegar as bolas. Cada lagarta termina com um aperto. Eles são necessários para que não fiquemos procurando bolas por toda a sala após cada etapa do jogo. Faremos a captura a partir de um pedaço de cano de 50 mm. De um lado, corte o tubo em um ângulo para criar uma parede mais longa que a bola vai bater para completar o percurso. Na outra extremidade do tubo, corte uma ranhura na qual colocaremos a placa da válvula. A placa não permitirá que a bola caia fora de controle em algum lugar. Por outro lado, assim que puxarmos o prato, a própria bola cairá em nossas mãos.
Montagem do dispositivo. No canto superior direito do tabuleiro, no início marcado de todas as faixas, cole nosso bloco de madeira no qual colamos os tubos na base. Cole os tubos com cola quente na placa de acordo com as linhas desenhadas. O caminho cicloidal mais distante da superfície da laje é sustentado ao longo de seu comprimento médio por uma barra de madeira de 35 mm de altura.
Cole as placas de furos no bloco de suporte do trilho superior para que se encaixem nos furos do bloco de madeira sem erros. Inserimos a alavanca no orifício da placa central e outra na carcaça da máquina de partida. Inserimos a extremidade da alavanca no carro e agora podemos marcar o local onde o carro deve ser colado na placa. O mecanismo deve funcionar de forma que, ao girar a alavanca para a esquerda, todos os orifícios se abram. Marque o local encontrado com um lápis e, por fim, cole o suporte com cola quente.
Diversão. Penduramos a pista de corrida e ao mesmo tempo um dispositivo científico na parede. Bolas de mesmo peso e diâmetro são colocadas em seus locais de partida. Gire o gatilho para a esquerda e as bolas começarão a se mover ao mesmo tempo. Pensamos que a bola mais rápida na linha de chegada seria aquela na pista mais curta de 500 mm? Nossa intuição falhou. Aqui não é assim. Ela é a terceira na linha de chegada. Surpreendentemente, é verdade.
A bola mais rápida é aquela que se move ao longo de uma trajetória cicloidal, embora sua trajetória seja de 550 milímetros, e a outra é a que se move ao longo de um segmento de círculo. Como aconteceu que no ponto de partida todas as bolas tinham a mesma velocidade? Para todas as bolas, a mesma diferença de energia potencial foi convertida em energia cinética. A ciência nos dirá de onde vem a diferença nos tempos de término.
Ele explica esse comportamento das bolas por razões dinâmicas. As bolas estão sujeitas a certas forças, chamadas forças de reação, que atuam nas bolas pela lateral dos trilhos. A componente horizontal da força de reação é, em média, a maior para uma ciclóide. Ele também causa a maior aceleração horizontal média dessa bola. É um fato científico que de todas as curvas que conectam quaisquer dois pontos do suor gravitacional, o tempo de queda da ciclóide é o mais curto. Você pode discutir esta questão interessante em uma das aulas de física. Talvez isso anule uma das páginas terríveis.
