Course de balle
Cette fois, je vous propose de fabriquer un appareil simple mais efficace pour le cours de physique. Ce sera une course de balle. Un autre avantage de la conception de la piste est qu'elle s'accroche au mur sans prendre beaucoup de place et qu'elle est toujours prête à montrer l'expérience de course. Trois balles partent simultanément de points situés à la même hauteur. Un lanceur spécialement conçu nous y aidera. Les boules courront le long de trois chemins différents.
L'appareil ressemble à un tableau accroché au mur. Trois tubes transparents sont collés au plateau, les chemins le long desquels les balles se déplaceront. La première bande est la plus courte et a la forme d'un plan incliné classique. Le second est le segment de cercle. La troisième bande se présente sous la forme d'un fragment de cycloïde. Tout le monde sait ce qu'est un cercle, mais ils ne savent pas à quoi il ressemble et d'où vient la cycloïde. Rappelons qu'une cycloïde est une courbe tracée par un point fixe le long d'un cercle, roulant le long d'une droite sans glisser.
Imaginons que nous mettions un point blanc sur le pneu d'un vélo et que nous demandions à quelqu'un de pousser le vélo ou de le rouler très lentement en ligne droite, mais pour l'instant nous allons observer le mouvement du point. La trajectoire du point attaché au bus entourera la cycloïde. Vous n'avez pas besoin de faire cette expérience, car sur la figure, nous pouvons déjà voir la cycloïde tracée sur la carte et toutes les voies destinées à la course des balles. Pour être juste sur le point de départ, nous allons construire un démarreur à levier simple qui garantira que les trois balles démarrent de manière uniforme. En tirant sur le levier, les balles touchent la route en même temps.
Habituellement, notre intuition nous dit que la balle qui suit le chemin le plus direct, c'est-à-dire le plan incliné, sera la plus rapide et gagnera. Mais ni la physique ni la vie ne sont si simples. Voyez par vous-même en assemblant ce dispositif expérimental. Qui travailler. Matériaux. Un morceau rectangulaire de contreplaqué mesurant 600 sur 400 millimètres ou un panneau de liège de la même taille ou moins de deux mètres de tuyau en plastique transparent d'un diamètre de 10 millimètres, une feuille d'aluminium de 1 millimètre d'épaisseur, un fil de 2 millimètres de diamètre. , trois boules identiques qui doivent se déplacer librement à l'intérieur des tubes. Vous pouvez utiliser des billes d'acier à roulement cassées, de la grenaille de plomb ou des billes de fusil de chasse, selon le diamètre intérieur de votre tuyau. Nous allons accrocher notre appareil au mur et pour cela nous avons besoin de deux supports sur lesquels accrocher des photos. Vous pouvez acheter ou fabriquer des poignées en fil de vos propres mains chez nous.
Outils. Scie, couteau tranchant, pistolet à colle chaude, perceuse, coupe-tôle, pinces, crayon, perforateur, perceuse, lime à bois et dremel qui rend le travail très facile. Base. Sur papier, nous dessinerons les trois itinéraires de voyage prévus à l'échelle 1: 1 selon le dessin de notre lettre. Le premier est droit. Segment du deuxième cercle. La troisième voie est celle des cycloïdes. On peut le voir sur la photo. Le dessin correct des pistes doit être redessiné sur la planche de base, afin que nous sachions plus tard où coller les tuyaux qui deviendront les pistes des balles.
Pistes de balle. Les tubes en plastique doivent être transparents, vous pouvez voir comment nos billes bougent dedans. Les tubes en plastique sont bon marché et faciles à trouver dans le magasin. Nous couperons les longueurs de tuyaux requises, environ 600 millimètres, puis les raccourcirons un peu, en ajustant et en essayant votre projet.
Prise en charge du démarrage de la piste. Dans un bloc de bois mesurant 80x140x15 millimètres, percez trois trous d'un diamètre de tubes. Le trou dans lequel on colle la première piste, c'est-à-dire représentant la régularité, doit être scié et façonné comme indiqué sur la photo. Le fait est que le tube ne se plie pas à angle droit et touche autant que possible la forme du plan. Le tube lui-même est également coupé à l'angle qu'il forme. Collez les tubes appropriés dans tous ces trous du bloc.
machine de chargement. Dans une feuille d'aluminium de 1 mm d'épaisseur, nous découpons deux rectangles aux dimensions, comme indiqué sur le dessin. Dans le premier et le second, nous perçons trois trous d'un diamètre de 7 millimètres coaxialement avec la même disposition que les trous ont été percés dans la barre de bois qui constitue le début des pistes. Ces trous seront les nids de départ pour les balles. Percez des trous dans la deuxième plaque d'un diamètre de 12 millimètres. Collez de petits morceaux rectangulaires de tôle aux bords extrêmes de la plaque inférieure et à ceux de la plaque supérieure avec des trous plus petits. Occupons-nous de l'alignement de ces éléments. La plaque centrale de 45 mm x 60 mm doit s'adapter entre les plaques supérieure et inférieure et pouvoir coulisser pour couvrir et ouvrir les trous. De petites plaques collées aux plaques inférieure et supérieure limiteront le mouvement latéral de la plaque centrale afin qu'elle puisse se déplacer de gauche à droite avec le mouvement du levier. Nous forons un trou dans cette plaque, visible sur le dessin, dans lequel le levier sera placé.
levier. Nous allons le plier à partir d'un fil d'un diamètre de 2 millimètres. Le fil peut être facilement obtenu en coupant une longueur de 150 mm du fil de suspension. Habituellement, nous obtenons un tel cintre avec des vêtements propres du lavage, et cela devient une excellente source de fil droit et épais pour nos besoins. Pliez une extrémité du fil à angle droit à une distance de 15 millimètres. L'autre extrémité peut être sécurisée en mettant une poignée en bois dessus.
Support de levier. Il est constitué d'un bloc mesurant 30x30x35 millimètres de haut. Au centre du bloc, nous forons un trou borgne d'un diamètre de 2 millimètres, dans lequel la pointe du levier fonctionnera. Finir. Enfin, il faut en quelque sorte attraper les balles. Chaque chenille se termine par une pince. Ils sont nécessaires pour que nous ne cherchions pas des balles partout dans la salle après chaque étape du jeu. Nous ferons la capture à partir d'un morceau de tuyau de 50 mm. D'un côté, coupez le tube en biais pour créer un mur plus long que la balle frappera pour terminer le parcours. À l'autre extrémité du tube, coupez une fente dans laquelle nous placerons la plaque de soupape. La plaque ne permettra pas au ballon de tomber hors de contrôle n'importe où. D'autre part, dès que nous retirons la plaque, la balle elle-même tombera entre nos mains.
Montage de l'appareil. Dans le coin supérieur droit du plateau, au début marqué de toutes les pistes, collez notre bloc de bois dans lequel nous avons collé les tubes à la base. Collez les tubes avec de la colle chaude sur la planche selon les lignes tracées. La trajectoire cycloïdale la plus éloignée de la surface de la dalle est supportée sur sa longueur moyenne par une cale en bois de 35 mm de hauteur.
Collez les plaques perforées sur le bloc de support supérieur du rail afin qu'elles s'insèrent dans les trous du bloc de bois sans erreur. Nous insérons le levier dans le trou de la plaque centrale et un dans le boîtier de la machine de démarrage. Nous insérons l'extrémité du levier dans le chariot et nous pouvons maintenant marquer l'endroit où le chariot doit être collé à la planche. Le mécanisme doit fonctionner de telle manière que lorsque le levier est tourné vers la gauche, tous les trous s'ouvrent. Marquez l'endroit trouvé avec un crayon et collez enfin le support avec de la colle chaude.
Amusement. On accroche la piste de course et en même temps un appareil scientifique au mur. Des balles de même poids et diamètre sont placées à leurs emplacements de départ. Tournez la gâchette vers la gauche et les balles commenceront à bouger en même temps. Pensions-nous que la balle la plus rapide à la ligne d'arrivée serait celle sur la piste la plus courte de 500 mm ? Notre intuition nous a fait défaut. Ici ce n'est pas le cas. Elle est troisième à l'arrivée. Étonnamment, c'est vrai.
La balle la plus rapide est celle qui se déplace le long d'une trajectoire cycloïdale, bien que sa trajectoire soit de 550 millimètres, et l'autre est celle qui se déplace le long d'un segment de cercle. Comment se fait-il qu'au point de départ toutes les balles aient la même vitesse ? Pour toutes les boules, la même différence d'énergie potentielle a été convertie en énergie cinétique. La science nous dira d'où vient la différence dans les temps d'arrivée.
Il explique ce comportement des billes par des raisons dynamiques. Les billes sont soumises à certaines forces, appelées forces de réaction, agissant sur les billes depuis le côté des pistes. La composante horizontale de la force de réaction est, en moyenne, la plus grande pour une cycloïde. Cela provoque également la plus grande accélération horizontale moyenne de cette balle. C'est un fait scientifique que de toutes les courbes reliant deux points quelconques de la sueur gravitationnelle, le temps de chute de la cycloïde est le plus court. Vous pouvez discuter de cette question intéressante à l'une des leçons de physique. Cela mettra peut-être de côté une des pages terribles.
