Název: Měření síly a její vývoj při běžných činnostech Autor: Mgr. Lucia Klimková Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika (Biologie) Tematický celek: Mechanika Ročník: 3. (1. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák zkonstruuje funkční siloměr. Seznámí se s měřením síly různých svalových skupin, například při stisku ruky. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Pomůcky Měření síly a její vývoj při běžných činnostech Výukové materiály siloměr Vernier rozsah ± 10N (případně klasický pružinový siloměr), datalogger, pružinky, háčky, kancelářské svorky, lano, gumičky, materiál na sestrojení stojanu siloměru (dřevo, plast, modelína, lego, karton, zkumavka), nůž, nůžky, fix, senzor síly stisku ruky Vernier, plošný siloměr Vernier Teorie 1. Každé těleso setrvává v relativním klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, dokud není přinuceno silovým působením jiných těles tento stav změnit. 2. Zrychlení a tělesa je přímo úměrné výslednici působících sil F a nepřímo úměrné hmotnosti tělesa m, tj. a= F m. 3. Síly, kterými na sebe navzájem působí dvě tělesa, jsou stejně velké a navzájem opačného směru, současně vznikají a zanikají. Síla je vektorová fyzikální veličina. Velikost síly měříme např. siloměrem na základě deformačních účinků působících na pružinku, gumičku a podobně. Základní jednotkou síly je newton (1 N = 1 kg.m.s -2 ). Zjišťuje se však, že na těleso (nebo na hmotný bod) často působí několik dalších těles, proto se využívá skládání sil. Úkol 1. Ověřte funkci siloměru proměřením tíhy závaží i různých předmětů. 2. Navrhněte konstrukci siloměru a použijte možné materiály na sestrojení funkčního siloměru i se stupnicí. 3. Naměřte sílu působící vaší pravou a levou rukou při stisku. Dobrovolný - pomocí plošného siloměru naměřte sílu působící při výskoku a následném dopadu na zem. Postup 1. V prvním úkolu si nejdříve zkalibrujte používaný siloměr. Lze použít přímo senzor siloměr Vernier připojený na datalogger, nebo klasický pružinový siloměr. Před samotným měřením věnujte vždy pozornost rozsahu siloměru, aby nedošlo k jeho poškozeni trvalé deformaci. Zavěšujte na siloměr vhodná závaží i některé neznámé předměty. 2. Navrhněte konstrukci siloměru. Rozmyslete si, jaké materiály použijete. Popřemýšlejte o vhodnosti zvoleného materiálu na sestrojení funkčního siloměru i s odpovídající stupnicí. Sestrojte funkční siloměr a ověřte jeho funkčnost na referenční sadě závaží. 3. Odhadněte, jakou silu umíte vyvinout při stisku pravé a levé ruky. Naměřte sílu působící vaší pravou a levou rukou při stisku a porovnejte se stiskem ruky spolužáka.
Dobrovolný - Pomocí plošného siloměru naměřte sílu působící při výskoku a následném dopadu na zem. Zkuste způsobem dopadu ovlivnit působící sílu na senzor. Vypracovaná laboratorní práce dobrovolného úkolu je k nalezení v článku [1]. Výsledky Ověřili jsme funkci digitálního i pružinového siloměru. Při zavěšování závaží odpovídala působící síla vztahu F=m g. Sestrojili jsme funkční siloměry (příklady jsou na obr. 1 a na obr. 2) a ověřili jejich funkčnost pomocí referenční sady závaží. Obr. 1 Obr. 2 Naměřili jsme stisk pravou i levou rukou třech spolužáků viz obr. 3. Maximální síla stisku pravé ruky byla 350N.
Obr. 3
Příklad Výukové materiály Petr o hmotnosti 80 kg je zavěšen na horolezeckém laně o délce 12 m, přičemž o lanu víme, že se účinkem síly 100 N prodlouží o 0,5%. O kolik se lano prodloužilo při zavěšení horolezce Petra? Při řešení uvažujte, že se jedná o pružnou deformaci. Řešení Účinkem síly 100 N se lano o délce 12 m prodlouží o 0,5%, tj. o 6 cm. Horolezec o hmotnosti 80 kg působí na lano silou 800 N, tedy celkové prodloužení činí 48 cm. Zajímavé odkazy Působící síla při držení tyče uprostřed a na krajích: http://physedu.science.upjs.sk/ejs/03%20dynamika/0318%20balancedrod.htm Studijní text z Fyzikální olympiády PRACHAŘ, J., TRNKA J. ; fyzikálniolympiada.cz: Úlohy z mechaniky [online]. 27.11.2014. Dostupný z WWW: <http://fyzikalniolympiada.cz/texty/ulohy1.pdf>. Literatura [1] BENEŠ, Vojtěch; vernier.cz: Impuls síly [online]. 27.11.2014. Dostupný z WWW: <http://www.vernier.cz/experimenty/gml/fyzika/f16.pdf>. [2] HALLIDAY, D. RESNICK, R. WALKER, J. Fyzika, Vysoké učení technické v Brně Nakladatelství PROMETHEUS Praha, 2000 [3] REICHL, Jaroslav; fyzika.jreichl.com: Encyklopedie fyziky [online]. 16.10.2014. Dostupný z WWW: <http://fyzika.jreichl.com/>.
Pracovní list pro žáka Měření síly a její vývoj při běžných činnostech Laboratorní práce č. Vypracoval: Třída, školní rok: Spolupracoval: Pomůcky siloměr Vernier rozsah ± 10N (případně klasický pružinový siloměr), datalogger, pružinky, háčky, kancelářské svorky, lano, gumičky, materiál na sestrojení stojanu siloměru (dřevo, plast, modelína, lego, karton, zkumavka), nůž, nůžky, fix, senzor síly stisku ruky Vernier, plošný siloměr Vernier Teorie 1. Každé těleso setrvává v relativním klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, dokud není přinuceno silovým působením jiných těles tento stav změnit. 2. Zrychlení a tělesa je přímo úměrné výslednici působících sil F a nepřímo úměrné hmotnosti tělesa m, tj. a= F m. 3. Síly, kterými na sebe navzájem působí dvě tělesa, jsou stejně velké a navzájem opačného směru, současně vznikají a zanikají. Síla je vektorová fyzikální veličina. Velikost síly měříme např. siloměrem na základě deformačních účinků působících na pružinku, gumičku a podobně. Základní jednotkou síly je newton (1 N = 1 kg.m.s -2 ). Zjišťuje se však, že na těleso (nebo na hmotný bod) často působí několik dalších těles, proto se využívá skládání sil. Úkol 1. Ověřte funkci siloměru proměřením tíhy závaží i různých předmětů. 2. Navrhněte konstrukci siloměru a použijte možné materiály na sestrojení funkčního siloměru i se stupnicí. 3. Naměřte sílu působící vaší pravou a levou rukou při stisku. Dobrovolný - pomocí plošného siloměru naměřte sílu působící při výskoku a následném dopadu na zem. Postup 1. V prvním úkolu si nejdříve zkalibrujte používaný siloměr. Lze použít přímo senzor siloměr Vernier připojený na datalogger, nebo klasický pružinový siloměr. Před samotným měřením věnujte vždy pozornost rozsahu siloměru, aby nedošlo k jeho poškozeni trvalé deformaci. Zavěšujte na siloměr vhodná závaží i některé neznámé předměty. 2. Navrhněte konstrukci siloměru. Rozmyslete si, jaké materiály použijete. Popřemýšlejte o vhodnosti zvoleného materiálu na sestrojení funkčního siloměru i s odpovídající stupnicí. Sestrojte funkční siloměr a ověřte jeho funkčnost na referenční sadě závaží.
3. Odhadněte, jakou silu umíte vyvinout při stisku pravé a levé ruky. Naměřte sílu působící vaší pravou a levou rukou při stisku a porovnejte se stiskem ruky spolužáka. Dobrovolný - Pomocí plošného siloměru naměřte sílu působící při výskoku a následném dopadu na zem. Zkuste způsobem dopadu ovlivnit působící sílu na senzor. Vypracovaná laboratorní práce dobrovolného úkolu je k nalezení v článku [1]. Výsledky Příklad Petr o hmotnosti 80 kg je zavěšen na horolezeckém laně o délce 12 m, přičemž o lanu víme, že se účinkem síly 100 N prodlouží o 0,5%. O kolik se lano prodloužilo při zavěšení horolezce Petra? Při řešení uvažujte, že se jedná o pružnou deformaci.