ボールレース

今回は、物理教室用にシンプルだが効果的な装置を作ることを提案します。 ボールレースとなります。 トラック デザインのもう XNUMX つの利点は、スペースを取らずに壁に掛けられ、いつでもレース体験を披露できることです。 XNUMX つのボールが同じ高さにある点から同時にスタートします。 特別に設計された打ち上げロケットがこれに役立ちます。 ボールは XNUMX つの異なる軌道に沿って走ります。

デバイスは、壁にぶら下がっているボードのように見えます。 ボードには XNUMX つの透明なチューブが接着されており、ボールが移動する経路となります。 最初のストリップは最も短く、従来の傾斜面の形状をしています。 XNUMX つ目は円セグメントです。 XNUMX 番目のバンドは、サイクロイドの断片の形をしています。 誰もが円とは何かを知っていますが、円がどのように見えるか、サイクロイドがどこから来るかは知りません。 サイクロイドは、円に沿った固定点によって描かれた曲線であり、滑らずに直線に沿って転がっていることを思い出してください。

自転車のタイヤに白い点を付けて、誰かに自転車を押してもらったり、まっすぐにゆっくり走ってもらったりすることを想像してみましょう。ここでは、点の動きを観察してみます。 バスに接続されたポイントのパスはサイクロイドを囲みます。 この図では、マップ上にプロットされたサイクロイドと、ボールが走行する予定のすべてのレーンがすでに確認できているため、この実験を行う必要はありません。 開始点を公平にするために、XNUMX つのボールすべてを均等に開始する単純なレバー スターターを構築します。 レバーを引くと同時にボールが路面に当たります。

通常、私たちの直感は、最も直接的な軌道、つまり傾斜面をたどるボールが最も速く、勝つだろうと教えてくれます。 しかし、物理学も生命もそれほど単純ではありません。 この実験装置を組み立ててみてください。 誰に働くか。 材料。 600×400ミリメートルの長方形の合板または同じサイズのコルクボード、または直径10ミリメートルの透明なプラスチックパイプ、厚さ1ミリメートルのアルミニウムシート、直径2ミリメートルの針金XNUMXメートル未満のコルクボード。 XNUMX つの同一のボールがチューブ内で自由に移動する必要があります。 パイプの内径に応じて、壊れたベアリング鋼球、鉛ショット、またはショットガン ボールを使用できます。 デバイスを壁に掛けます。そのためには、写真を掛けるためのホルダーが XNUMX つ必要です。 ワイヤーハンドルを購入したり、自分の手で作成したりできます。

ツール. のこぎり、鋭利なナイフ、ホットグルーガン、ドリル、板金カッター、ペンチ、鉛筆、パンチャー、ドリル、木ヤスリ、ドレメルがあれば作業はとても簡単です。 ベース。 手紙の図に従って、予測される1つの移動ルートを1：XNUMXの縮尺で紙に描きます。 最初のものはまっすぐです。 XNUMX 番目の円のセグメント。 XNUMX 番目のルートはサイクロイドです。 写真で見ることができます。 トラックの正しい描画をベースボードに再描画する必要があるため、後でボールのトラックになるパイプを接着する場所がわかります.

ボールレーン。 プラスチックチューブは透明でなければならず、ボールが中でどのように動くかを見ることができます。 プラスチックチューブは安価で、店頭で簡単に見つけることができます。 必要な長さのパイプを約 600 ミリメートルにカットし、少し短くして、プロジェクトに取り付けて試してみます。

トラックスタートサポート。 80x140x15ミリメートルの木製ブロックに、チューブの直径の穴をXNUMXつ開けます。 最初のトラックを挿入する穴、つまり均一さを表現するには、写真のように鋸で切って形を整える必要があります。 実際には、チューブは直角に曲がらず、できるだけ平面の形状に触れています。 チューブ自体もチューブが形成する角度でカットされます。 ブロックのこれらすべての穴に適切なチューブを接着します。

ローディングマシン。 厚さ1 mmのアルミニウムシートから、図に示す寸法の長方形を7つ切り出します。 12 つ目と 45 つ目では、線路の始まりを構成する木の棒に開けた穴と同じ配置で、同軸上に直径 60 ミリメートルの穴を XNUMX つ開けます。 これらの穴がボールの最初の巣になります。 XNUMX 番目のプレートに直径 XNUMX ミリメートルの穴を開けます。 小さな長方形の板金片を、底部プレートの端と、小さな穴のある上部プレートの端に接着します。 これらの要素の位置合わせに注意してみましょう。 XNUMX x XNUMX mm のセンター プレートは上部プレートと底部プレートの間にフィットし、スライドして穴を覆ったり開けたりできる必要があります。 底部プレートと上部プレートに接着された小さなプラークは、中央プレートの横方向の動きを制限し、レバーの動きに合わせて中央プレートが左右に動くことができるようにします。 図面に表示されているこのプレートに穴を開け、そこにレバーを配置します。

てこ。 直径2ミリのワイヤーから曲げていきます。 ワイヤーハンガーから150mmの長さに切断するだけで簡単にワイヤーが得られます。 通常、私たちはそのようなハンガーを洗濯からのきれいな衣類と一緒に入手します、そしてそれは私たちの目的のためにまっすぐで太いワイヤーの優れた供給源になります。 ワイヤーの一端を15ミリメートルの距離で直角に曲げます。 もう一方の端には木製のハンドルを付けて固定できます。

レバーサポート。 高さ30×30×35ミリメートルのブロックでできています。 ブロックの中心に、レバーの先端が機能する直径2ミリメートルの止まり穴を開けます。 終わり。 最後に何とかボールを捕らなければなりません。 各キャタピラの端にはグリップが付いています。 それらは、ゲームの各ステージの後に部屋中でボールを探し回らないようにするために必要です。 50mmのパイプからキャプチャを作成します。 片側でチューブを斜めにカットして、ボールが当たる長い壁を作り、ルートを完成させます。 チューブのもう一方の端に、バルブ プレートを配置するスロットを切り取ります。 プレートのおかげで、ボールがどこかで制御不能になることはありません。 一方、プレートを引き抜くとすぐにボール自体が手の中に落ちます。

デバイスの取り付け。 ボードの右上隅、すべてのトラックのマークされた開始位置に、ベースにチューブを接着した木製のブロックを接着します。 描かれた線に従って、チューブをホットグルーでボードに接着します。 スラブの表面から最も遠いサイクロイド状の経路は、その平均長さに沿って高さ 35 mm の木製ブロックによって支えられています。

穴プレートが木製ブロックの穴に間違いなく収まるように、穴プレートを上部トラックサポートブロックに接着します。 レバーを中央プレートの穴に挿入し、もう一方を始動機のケーシングに挿入します。 レバーの端をキャリッジに挿入し、キャリッジをボードに接着する場所に印を付けることができます。 この機構は、レバーを左に回すとすべての穴が開くように機能する必要があります。 見つかった場所に鉛筆で印を付け、最後にホットグルーでサポートを接着します。

楽しいです。 私たちはレーストラックと科学装置を壁に掛けます。 同じ重量と直径のボールが開始位置に配置されます。 トリガーを左に回すと同時にボールが動き始めます。 ゴールラインで最も速いボールは、最短の 500mm トラック上のボールであると考えたでしょうか? 私たちの直感は失敗しました。 ここではそうではありません。 彼女はゴールラインでXNUMX位です。 驚くべきことに、それは本当です。

最も速いボールは、その軌道が 550 ミリメートルであるにもかかわらず、サイクロイド軌道に沿って移動するボールであり、もう XNUMX つは円のセグメントに沿って移動するボールです。 スタート地点ですべてのボールの速度が同じになるのはなぜでしょうか? すべてのボールについて、同じ位置エネルギーの差が運動エネルギーに変換されました。 科学は、ゴールタイムの差がどこから来るのかを教えてくれるでしょう。

彼はこのボールの挙動を力的な理由で説明しています。 ボールは、トラックの側面からボールに作用する反力と呼ばれる特定の力を受けます。 反力の水平成分は、平均してサイクロイドで最大になります。 また、そのボールの最大の平均水平加速度も引き起こします。 重力による汗の任意の XNUMX 点を結ぶすべての曲線の中で、サイクロイドの落下時間が最も短いことは科学的事実です。 この興味深い質問については、物理学の授業で話し合うことができます。 おそらくこれで、ひどいページの XNUMX つが脇に置かれるでしょう。