Robotická stavebnice FISCHERTECHNIK Dynamic

Transkript

1 Robotická stavebnice FISCHERTECHNIK Dynamic Co je to dynamika? S dynamikou se setkáváme každý den a ani si to neuvědomujeme, protože se jedná o běžnou součást života. Dynamika se týká všeho, co se hýbe. První setkání s dynamikou zažijete, když ráno vstanete. Z postele se přesunete do koupelny a poté k jídelnímu stolu. Jedete nebo jdete do školy či práce. Účinky dynamiky zažíváme ve skoro všech sportech nebo stačí jen pozorovat lidi kolem nás, jak se pohybují. Zábava s fyzikou Díky dynamice si můžeme užívat takových věcí, jako je jízda ne kole, lyžování, míčové hry nebo jízda na horské dráze. Dynamika tím pádem obohacuje náš život přesně tak, jak jsme psali v nadpisu tohoto odstavce - Zábava s fyzikou! Pomyslete si, kde všude se v běžném životě setkáváte s dynamikou. Jízda autem Chůze, běh, skákání... Věděli jste, že dynamika je odvětví fyziky, která se zabývá všemi procesy souvisejícími s pohybem? Některé z těchto fyzikálních efektů si ukážeme a vysvětlíme na různých experimentech v této brožuře. Vztah mezi silou a dynamikou Abyste pochopili dynamické procesy, je třeba vědět, co je způsobuje. Další dva jednoduché experimenty vysvětlí, proč se věci hýbou. V úvodu jsme už řekli, že kdykoliv se něco hýbe, může za to dynamika. Sestavte model pro experiment 1 (level track - úrovňová kolej), abyste mohli učinit tyto experimenty. Umístěte na kolej kuličku velmi lehce ji pošťouchněte vpřed. Co se stalo? Jak moc kulička zrychlila při jemném šťouchnutí? Pohybuje se pomalu - možná dokonce zastaví. Zrychlení bylo minimální. Nyní umístěte na kolej další kuličku a strčte do ní trochu silněji, než v prvním experimentu. Co se stalo? Jak moc kulička zrychlila při silnějším šťouchnutí? Pohybuje se rychleji, než v prvním experimentu. Zrychlení bylo větší. Výsledek tohoto experimentu není překvapivý, protože toto vidíte každý den u každého pohybu.

2 Ale zamysleli jste se někdy nad tím, co to má společného se silou, kterou musíte uvolnit na pohyb kuličky? Fyzikální vysvětlení Vztah se skládá z hmotnosti (váha kuličky) a síly zrychlení (kulička je zrychlena z klidového stavu). Tento vztah se dá popsat rovnicí, která se dá nazvat definicí síly. Síla = hmotnost x zrychlení nebo pomocí fyzikálních zkratek F = m x a Fyzik sir Isaac Newton ( ) V druhém pokusu jste vyvinuli větší sílu, než v pokusu prvním, nicméně hmotnost kuličky zůstala stejná. Z tohoto důvodu bylo v druhém pokusu větší zrychlení, než v prvním. Síla se měří v Newtonech (N). Tato jednotka byla pojmenována po siru Isaacu Newtonovi, který první zformuloval pohybové zákony. Více nebo méně síly? Nyní můžete u následujících každodenních úkolů rozhodnout, zda udělit větší nebo menší sílu: Jedete sami na svém kole. Cestu potkáte kamaráda, co by chtěl svézt. Sedne si za vás a pokračujete v jízdě společně. Pro stejné zrychlení jako předtím budete potřebovat větší nebo menší sílu?

3 Abyste zrychlili stejným způsobem, potřebujete větší sílu, protože se zvýšila hmotnost. Zrychlete dvě koule o různé váze, například tenisový míček a kovovou kouli. Pokud se pokusíte oba vyhodit plnou silou, který zrychlí rychleji, jinými slovy, který doletí dál? Pokud použijete plnou svoji sílu, tenisový míček zrychlí rychleji, protože je lehčí, než kovová koule. Z tohoto důvodu také poletí dál. Následující cvičení je trochu složitější, ale také jej lze vyřešit. Klíčem jsou vaše nově nabyté znalosti: Na dráze dlouhé 100 metrů: běžec 1 a běžec 2 jsou stejně silní, jinými slovy mají stejně silné svalstvo. Běžec 1 zrychlí rychleji. Který běžec je tedy dle teorie těžší? Tip: Použijte svoje nové znalosrti (síla = hmotnost x zrychlení). Promyslete, jak tato rovnice platí pro každého z běžců. Podle teorie by měl být těžší běžec 2. Jelikož není silnější, zrychlí pomaleji. Která dráha je rychlejší? Jelikož víme, že s veškerými pohyby jsou spojeny síly, dalším pokusem zkusíme zjistit, zda má na pohyb vliv dráha. Sestavte model pro pokus 2 (akcelerace) s dvěma různými tvary dráhy. Jedna dráha je zahnutá nahoru a druhá dolů. Když budete hotovi, začněte s pokusem. Umístěte kuličku na vrcholek každé dráhy. Než kuličku pustíte, rozmyslete si, která dráha je rychlejší! Nyní můžete obě kuličky pustit. Také si můžete promyslet, proč se vůbec kuličky kutálí směrem dolů. Malá rada - je to ze stejného důvodu, proč padají věci na zem. Takže, vsadili jste si na správnou dráhu? Na dráze směřující dolů je kulička rychlejší, než na té směřující nahoru. Proč? Možná je jedna dráha delší, než druhá? Ne - do každé jste namontovali tři díly. Možná jde o tvar dráhy? Podíváme se do encyklopedie.

4 Matematicky vzato... Problém nejrychlejší dráhy byl vyřešen v roce 1696 matematikem Johannem Bernoullim a je znám jako Brachistochrona. Když se pokoušel přijít na řešení velmi složitého problému, Bernoulli zjistil, že nejrychlejší ze všech křivek je dráha, která směřuje dolů, takzvaná cykloida. Tato křivka je ještě rychlejší, než rovná linie, ačkoliv ta by byla nejkratším spojením mezi dvěma body. Proč se vůbec kuličky kutálí dolů? Když jste se zamysleli nad tím, proč se vůbec kuličk kutálí dolů, možná jste si povšimli, že jste na ně nemuseli působit žádnou silou. Když si vzpomenete na první pokus, jistě si vybavíte, že pohyb není možný bez působení síly. Jelikož se kulička hýbe, musí být přítomna síla. Síla, která táhne kuličku dolů je takzvaná gravitační síla. Působí na všechny věci na Zemi. Gravitační síla je kolem nás přítomna každý den. Je to síla, která způsobuje, že vše padá k zemi. Zamyslete se nad různými příklady z každodenního života. Bungee jumping Skok s padákem Jablko padající ze stromu... Věděli jste, že gravitační síla působí i na Měsíci? Viděli jsme videa astronautů na měsíci? Mohli skákat podstatně výš a dál, než na Zemi. Protože je Měsíc o hodně menší než Země, gravitační síla je zde podstatně nižší. To znamená, že když vyskočíte na Měsíci, doskočíte dál, než na Zemi. Looping Jelikož víme, co je to gravitační síla, můžeme pokračovat k dalšímu pokusu. Možná, že jsme byli v zábavním parku a projeli jste se na horské dráze. Pokud ano, určitě jste viděli smyčky, jimiž vozík projíždí. Postavte model pro pokus 3 (looping), abyste se mohli pustit do dalšího pokusu. Poté, co jste dokončili model looping, můžete začít s pokusem. Zjistěte, z jaké výšky musíte vypustit kuličku, aby projela smyčkou. Zamyslete se, proč kulička na vrcholku smyčky nespadne dolů, i když gravitační síla vše přitahuje k zemi. Co se děje ve smyčce? Pokud jste někdy jeli na horské dráze, víte, že jste ve smyčce byli vtlačení do sedačky. To samé se děje, když někoho držíte za ruce a točíte s ním. Máte pocit, že ho od vás něco odtahuje. Tento fyzikální jev se nazývá odstředivá síla. Když kulička prochází smyčkou, děje se následující: Na vrcholku smyčky je odstředivá síla tlačící kuličku vzhůru větší, než gravitační síla, která ji tlačí dolů. To způsobuje, že kulička zůstane na dráze a nespadne. Pokud kulička spadla, gravitační síla byla větší, než odstředivá síla. Odstředivá síla byla příliš nízká, protože kulička zrychlila příliš pomalu. Zamyslete se nad sporty, v nichž odstředivá síla hraje roli. Tip: Obvykle velmi silní sportovci vytváří odstředivou sílu tak, že se točí v kruhu. Vrhačí kladiva, disku nebo koule.

5 Co je to energie? Jelikož už víme hodně o různých silách a pohybech, pokračujme k dalšími pokusu. Tyto jsou určeny, aby více vysvětlily, co je to energie. Teď se jistě ptáte, co mají síly, pohyby a energie společného. Když budeme zjišťovat, k čemu potřebujeme energii, otázka bude jasnější. Energie je potřeba k: uvolnění síly zrychlení nebo zvednutí předmětu zahřátí něčeho spuštění elektrického proudu jednoduše k životu - příkladem jsou všichni lidé, zvířata a rostliny

6 Energii lze získat v mnoha různých podobnách, které lze měnit na jiné druhy energie. V následujícím pokusu je nezbytné pochopit rozdíl mezi pohybovou energií a klidovou energií. Pohybové energii se také říká kinetická energie. Kinetická energie je přítomna, kdykoliv se nějaký objekt pohybuje. Příkladem je kulička v této stavebnici, protože se pohybuje, a proto má pohybovou energii. Klidová energie, také známá jako potenciální energie, je tím větší, čím výše se objekt nachází. To například znamená, že kulička ležící na stole má větší potenciální energii, než ta na zemi. Konec teorie, jdeme to zkusit na modelu. Pro tento účel postavte model pro pokus 4 (U rampa). Pusťte kuličku z jednoho konce U rampy a sledujte, co se stane. Zamyslete se, jaké druhy energie vidíte a kde jsou největší. Abyste pochopili U rampu, je nutné znát takzvaný zákon zachování energie. Zákon zachování energie říká, že součet všech energií zůstává vždy stejný. Energii nelze vytvořit z ničeho, ani ji nelze zničit. Pouze lze měnit jeden druh energie v jiný. Při pokusu s U rampou jsou k vidění dva druhy energie. Kinetická energie Potenciální energie Energie, kterou vložíte do tohoto pokusu pochází z vašich svalů, díky nimž jste zvedli kuličku. To dalo kuličce větší potenciální energii. Jak vyplývá ze zákona o zachování energie, tato potenciální energie se mění na kinetickou energii, jakmile kuličku pustíte. Potenciální energie kuličky je nejvyšší, když se pustěna do U rampy, a nejnižší, když je na jejím nejnižším bodě. Kinetická energie se chová přesně opačně, než potenciální energie. Než kuličku pustít, je kinetická energie nulová, protože se nic nehýbe. Největší je na dně U rampy, protože zde se kulička pohybuje nejrychleji. Energie se mění v Joulech (J). Tato jednotka byla pojmenována po britském fyzikovi jménem James Prescott Joule ( ), kterého vidíte na fotografii.

7 S energií se setkáváme každý den v podobě sil. Všimli jste si někdy například popisků na potravinách? Každá krabice kukuřičných lupínků, sladkost, atd. - všechny balené potraviny - mají takový popisek. Píše se na nich, že obsahují "kalorie". To je energie obsažená v jídle. Pojem kalorie se používá, protože se jedná o energii, kterou vaše tělo "spálí", aby mohlo běhat, skákat a myslet. Kalorie jsou obvykle zapisovány v kilojoulech (KJ), což je 1000 Joulů (J) a kilokalorie (kcal) je 1000 kalorií (cal). Už jsme možná slovo kilokalorie slyšeli ve spojitosti s jídlem - jedná se o jinou jednotku měření energie podobnou Joulu. Převod těchto jednotek je velmi jednoduchý: 1 kilokalorie = 4,18 kilojoulu nebo můžeme použít zkratky 1 kcal = 4,18 kj Proč se kulička zastaví? Jelikož jsme z minulého pokusu zjistili, že podle zákona zachování energie lze energii pouze změnit, ale neztratí se, vyvstává otázka, proč se tedy kulička zastaví? Jestliže energie nezmizí, neměla by se kulička dál kutálet? Zopakujte pokus s modelem 4 (U rampa). Tentokrát se zamyslete nad tím, proč se v jistém okamžiku kulička zastavila. Tip: přejeďte prstem po dráze. Cítíte odpor a také jste si všimli, že povrch dráhy není dokonalé hladký. Tento jev se nazývá tření. Už jste asi o tření slyšeli dříve, ale co to přesně je a jak vzniká? Tření vzniká mezi dvěma objekty (takzvané externí tření), když se jejich povrchy dotýkají. Abyste pochopili, proč kulička zastavila, je třeba se podívat, jak vypadá povrch kuličky a dráhy pod mikroskopem. Nyní si představte, jak se do sebe oba povrchy vzájemně zachycují. Je jasné, že po nějaké době kulička zpomalí, protože neustále naráží na nerovnosti. Fyzikálně je energie třením přeměněna na teplo (termální energii). Když se kulička zastaví, všechna potenciální/kinetická energie byla změněna třením na teplo. Výsledné teplo je takzvaná odpadní energie. Odpadní se jí říká, protože ji již nelze využít.

8 Tření lze rozdělit na více druhů. Statické tření: tření je tak velké, že k sobě dva povrchy přilnuly a nehýbou se. Skluz: tření je přesně tak vysoké, aby dovolovalo dvěma povrchům po sobě klouzat. Valivé tření: tento typ tření nastává, když se objekt kutálí po povrchu. Tření v každodenním životě Tření můžete zkusit například tak, že budete o sebe třít dlaněmi. Všimněte si, že se po chvíli vaše ruce zahřejí. Jelikož znáte tři rozdílné druhy tření, můžete je přiřadit následujícím příkladům: Jízda na kole Kapka lepidla na papíře Lyžování Bruslení Suchý zip Kulička na dráze v této stavebnici Jízda na kolečkových bruslích Statické tření Skluz Valivé tření x Srážka kuliček Pro následující úkoly můžete použít model 4 (U rampa). Umístěte na spodek U rampy dvě kuličky a pusťte na ně shora další kuličku. Co se stane? Poslední kulička byla odražena. Náraz očividně prošel skrz všechny kuličky. Přidejte na spodek U rampy další kuličky. Co se stane? Stejné jako v minulém pokusu. Poslední kulička byla odražena. Náraz prošel všemi kuličkami. Nyní zjistěte, co se stane, když umístíte na spodek tři kuličky a pusťte na ně z jedné strany dvě kuličky. Nyní byly odraženy dvě kuličky. Náraz opět prošel skrze kuličky. Zde ukázanému fyzikálnímu efektu se říká elastická srážka. Elastická srážka je kontakt mezi dvěma objekty po dobu několika milisekund. Během této doby kulička přenese svoji kinetickou energii na další kuličku, aniž by ji poškodila. Pokud je vedle sebe více kuliček, náraz jimi projde všemi. Přesně tolik kuliček, co do řady narazilo, z ní také bude odraženo. Efekt průchodu kuličkami se nazývá impuls síly. Každá hmotnost, která se pohybuje, má impuls síly. To znamená, že jakmile se

9 pohnete, máte impuls síly. Impuls síly = hmotnost x rychlost p = m x v Impuls síly zůstává impulsem síly Nicméně impuls není při nárazu vždy vidět, pouze když byl předán dál. Podobně jako zákon zachování energie, který říká, že součet všech energií je vždy stejný, existuje také zákon zachování impulsu síly. Tento zákon říká, že impuls síly je stejný i v případě srážky Impuls síly (před srážkou) = Impuls síly (po srážce) Toto jsme viděli i v našem pokusu, protože rychlost a hmotnost puštěných kuliček byla přesně stejná jako rychlost a hmotnost odražených kuliček. Impulsy síly v každodenním životě Každý den kolem sebe vidíme mnoho příkladů srážek. Dobrým příkladem je zatloukání hřebíku. Srážky jsou také v mnoha sportech, například kulečníku, squashi nebo curlingu. Tyto příklady využívají faktu, že impuls síly před srážkou je stejný jako impuls síly po srážce. V kulečníku je tento efekt využit k odrážení koulí do děr pomocí bílé koule. Jedná se o stejné srážky jako ve vašem pokusu, protože srážkou se mění stav pohybu koulí, aniž by byly zdeformovány.

10 Velké překážkové dráhy Fyzikální efekty, které jsme se naučili v předchozích pokusech, můžete využít k sestrojení fascinujících překážkových drah. Výtah Všechny překážkové dráhy ukázané v návodu na sestavení obsahují výtah. Ten sestává z poháněcího řetězu a magnetického držáku na kuličky. Jakmile držák projede kolem kuličky v zásobnímu tohoto modelu, kulička je magnetem přitažena a dopravena na vrcholek. Tam je odstrčena a začne se kutálet skrze překážkovou dráhu. Tip: Pokud nejsou kuličky správně vytahovány a dopravovány výtahem dál, upravte pozici zásobníku kuliček. Překážková dráha 1 Tento model je zvláště vhodný k poskytnutí základních zkušeností s překážkovou dráhou pro kuličky. Kuličky jsou dopraveny výtahem na vrcholek a poté se kutálí dolů zpět do zásobníku.

11 Překážková dráha 2 Tento model obsahuje různé efekty. Jejich funkci zajístíte tak, že před spuštěním provedeme několik příprav. 1. Zavěste krabičku s kuličkami na horní pozici, jak vidíte na obrázku. 2. Nastavte branku modelu na pozici zobrazenou na obrázku. 3. Umistěte blok do vestavěného katapultu. Nyní naplňte zásobník před výtahem kuličkami a poté zapněte výtah. První kulička projede brankou a poté do sběrače kuliček. Jakmile je všech šest kuliček ve sběrači, ten se sklopí. Tip: Pokud se sběrač sklopí příliš brzy nebo pozdě, můžete to změnit posunutím bloku umístěného za sběračem jako protiváha. Čím blíže je blok sběrači, tím rychleji se sběrač sklopí. Kuličky se poté kutálí do krabičky na kuličky, která spadne a spustí tak katapult. Tip: Pokud krabička na kuličky nespadne správně, můžete spuštění upravit posunutím bloku, který slouží jako protiváha. Nyní pohněte brankou na opačnou pozici, aby zabránila kuličkám v kutálení se do sběrače. Poté se budou kuličky kutálet po jiné trase.

12 Nyní můžete dát pryč krabičku na kuličky a opět naplnit zásobník před výtahem kuličkami. Poté připravte krabičku a katapult na další kolo. Překážková dráha 3 Tato překážková dráha je největší model v této stavebnici a obsahuje nejvíce překážek a efektů. Kulička nejprve narazí na kyvadlo a poté se skutálí k automatické brance, která ji navede buď doprava nebo doleva. Tip: Ujistěte se, že kloub je umístěn přesně ve středu kyvadla a branka se pohybuje bez problémů. Jinak by nemusela fungovat správně.

13 Poté se kulička zastaví před bariérou. Další kulička je brankou navedena na druhou stranu a spustí mechanismus, který bariéru otevře. První kulička má tedy otevřenou cestu skrze smyčku. Tip: Ujistěte se, že se kyvadlo a bariéra pohybují bez problému. Další tipy: Pochopitelně postupně vymyslíte vlastní sestavy překážkových drah. Určitě sami vymyslíte nové geniální podoby a fascinující překážky a efekty. Pokud jsou ohybatelné dráhy po rozebrání modelu příliš prohnuté, můžete je narovnat přicvaknutím k podkladové desce. Tím zabráníte ohýbání.