8. Aerodynamický tunel; Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky I. Aerodynamický tunel Aerodynamický tunel je technické zařízení umožňující demonstraci odporu prostředí vůči těle sům různých tvarů. Jeho hlavní součástí je zdroj proudícího vzduchu, anemometr (aerodynamické váhy) a sada tělísek různých tvarů. 8.1. Aerodynamický tunel s příslušenstvím Jaké fyzikální jevy demonstrujeme? I. Aerodynamický tunel 8.1.Odpor prostředí [1] M 129, M 130, M 131; [5] M 90, M 91, M 92; [8] M 171, M 172; [10] M 95. 8.2. Aerodynamická vztlaková síla [1] M 128; [5] M 93; [8] M 174, M 175; [10] M 101, M 102. II. Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky 8.3. Rovnoměrný pohyb. Relativnost klidu a pohybu, skládání pohybů [1] M 3; *[5] M 14-16; *[10] M 21. 8.4. Dráha a rychlost rovnoměrného pohybu *[1] M 5; *[5] M 17; *[8] M 3 - M 5. 8.5. Pohyb zrychlený *[1] M 12, M 13; *[5] M 20, M 21; *[8] M 6, M 7; [10] M 22. 8.6. Pohyb zpomalený * Obdobné experimenty uvedené v příslušné literatuře za použití jiných prostředků. - 70 -
I. Aerodynamický tunel 8.1. Odpor prostředí Odporová síla, kterou indikujeme pomocí anemometru v proudícím vzduchu, závisí na několika faktorech: a) na rychlosti proudícího vzduchu, b) na velikosti obsahu kolmého průřezu obtékaného tělesa, c) na tvaru tělesa, d) na hustotě prostředí. Následující demonstrace se zaměřují na první tři vlivy. a) Závislost odporu prostředí na rychlosti proudícího vzduchu Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. 8.2. Závislost odporu prostředí na rychlosti proudícího vzduchu Do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, upevníme jednu z kruhových desek. Postupně měníme reostatem výkon vzduchového dmychadla, tím i rychlost proudí cího vzduchu. S rostoucí rychlostí proudícího vzduchu roste aerodynamická odporová síla. Tuto sku tečnost zaznamená ukazatel anemometru. b) Závislost odporu prostředí na obsahu kolmého průřezu obtékaného tělesa Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. Do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, upevňujeme kruhové desky různých obsahů průřezu. V proudícím vzduchu vykazuje deska s větším obsahem průřezu větší odporovou sílu. Tuto skutečnost evidentně prokazuje ukazatel anemometru. - 71 -
c) Závislost odporu prostředí na tvaru tělesa Aerodynamický tunel s příslušenstvím, anemometr, reostat. Postupně do vahadla anemometru ustaveného tak, aby bylo otočné kolem svislé osy, připevňuje me tělesa s různým profilem - kruhová, čtvercová deska, dutá polokoule obrácená dutinou proti směru proudění vzduchu, vypuklou stranou proti směru proudění vzduchu, těleso kapkovitého tvaru. U kaž dého profilu zachováme stejnou rychlost proudění vzduchu. Měřením zjistíme výraznou závislost aerodynamické odporové síly na různých profilech. Největší odporovou sílu vykazuje dutá koule, nejmenší těleso kapkovitého tvaru. Dojdeme k závěrům ob dobným, jako ukazuje následující přehled: 8.3. Závislost odporu prostředí na tvaru tělesa 8.2. Aerodynamická vztlaková síla Rozdílem tlaků na horní a dolní plochu pohybujícího se kří dla vzniká dynamický vztlak, kte rý je principem létání letadel. Aerodynamický tunel s příslušen stvím, anemometr, reostat. Do vahadla anemometru usta veného tak, aby bylo otočné kolem vodorovné osy, upevníme model kří dla. Na protější konec vahadla umís tíme závaží, kterým celý systém vy vážíme. Model křídla umístíme před tunel do vzdálenosti asi 15-20 cm a nastavíme úhel náběhu přibližně 5. 8.4. Obtékání křídla letadla proudícím vzduchem - 72 -
Silové působení na model křídla je složitější než u těles základních tvarů. Demonstrace prokazuje existenci aerodynamické vztlakové síly, která v reálu udržuje letadlo ve vzduchu. Velikost aerodyna mické vztlakové síly závisí: a) na rychlosti proudění vzduchu - s rostoucí rychlostí vzrůstá vztlaková síla, b) na úhlu náběhu - v jistých mezích se vzrůstajícím úhlem náběhu vzrůstá vztlaková síla. 8.5. Působení vztlakové aerodynamické síly na křídlo letadla II. Fyzikální pokusy s improvizovanými prostředky Tento druh demonstrací má své specifické místo v přiblížení fyziky a fyzikálních jevů žákům. Někte ré fyzikální demonstrace lze provádět s prostředky, které se běžně užívají k jiným účelům. Mohou to být běžné potřeby v domácnosti, různé předměty denní potřeby a také hračky. K využívání těchto prostředků ke školním demonstracím nás někdy nutí nedostatečné materiální vybavení fyzikální sbírky učebních pomůcek, na druhé straně používání těchto improvizovaných prostředků má pozitivní vliv na žáky: zbavuje fyziku přílišného akademismu, přibližuje žákovi řadu fy zikálních jevů prostřednictvím předmětů, které dobře zná, jsou mu daleko bližší, pomáhají mu od stranit psychické bariéry a obavy ze všeho, co s fyzikou souvisí. Celá řada hraček a zábavných předmětů je založena na nějakém fyzikálním principu, často využívají specifických vlastností určité lát ky. Žáci je běžně používají při hraní, aniž si plně uvědomují na jakém principu pracují. Zařazením těchto improvizovaných prostředků do výuky vyučující navazuje na osobní zkušenosti žáků, motivuje je odpovídajícím způsobem k pozorování a poznávání řady fyzikálních jevů. Výroba improvizovaných prostředků jejich využívání vyučujícím svědčí o jeho tvůrčím přístupu k výuce svého předmětu, invenci a hledání nových cest, jak fyziku žákům zpřístupnit a přiblížit. 8.3. Rovnoměrný pohyb. Relativnost klidu a pohybu, skládání pohybů Demonstrace různých druhů pohybu těles provádíme pomocí dětských hraček. Pásové vozidlo na baterie, prkénko s kolečky nebo se dvěma a více válečky, pás pevnějšího papíru formátu přibližně A1. Pomocí uvedených pomůcek lze různým způsobem demonstrovat pohybové stavy vozidla a to vždy vůči nějaké vztažné soustavě spojené s podložkou, na níž se nachází, s demonstračním stolem či místností. Jednoduchá sestava umožňuje demonstrovat celou řadu jevů: Rovnoměrný pohyb vozidla po podložce, která je v klidu vůči stolu; Vozidlo je v klidu, pohybuje se podložka (vpřed, vzad) vztažná soustava, relativnost kli du a pohybu; - 73 -
Vozidlo se pohybuje vpřed, podložkou pohybujeme opačným směrem tak, aby vozidlo zů stávalo v klidu vůči demonstračnímu stolu - vztažná soustava, relativnost klidu a pohybu; Vozidlo držíme v klidu se spuštěným pohonem tak, aby svými pásy posouvalo podložku pod sebou; Skládání rychlostí vozidlo se pohybuje po podložce, kterou zároveň pohybujeme vpřed a vzad tak, aby směr jeho výsledné rychlosti byl vpřed i vzad; Vozidlo je v pohybu po podložce, kterou zároveň pohybujeme kolmo ke směru pohybu vo zidla ve vodorovném směru. Vozidlo s podložkou lze také zvedat a spouštět zpět na demonstrační stůl skládání rychlostí; Na větší arch papíru, představující řeku, položíme vozidlo. To nyní představuje loď - sklá dání dvou pohybů. 8.4. Dráha a rychlost rovnoměrného pohybu Pásové vozidlo, autíčko na baterie, stopky, svinovací metr nebo pásmo (asi 3 m), pás papíru, fixy, barevné křídy, lepící pásku, papírové značky z kartonu. Pomocí dvou vozidel, majících rozdílné rychlosti, lze demonstrovat následující jevy rovnoměrného pohybu: Jedno z vozidel uvedeme do pohybu na demonstračním stole nebo na podlaze. K ur čování jeho uražené dráhy za určitý časový interval slouží délkové měřidlo, které k podložce připevníme např. lepící páskou. V intervalech délky přibližně 3 s se měří jednotlivé úseky dráhy a celková dráha rovnoměrného pohybu. Lze sestrojit tabulku a graf závislosti dráhy na čase a provést k jednotlivým parametrům rovnoměrného po hybu diskusi. 8.6. Rovnoměrný pohyb vozidla - 74 -
Podél měřidla pustíme obě vozidla s rozdílnou rychlostí. Barevnými křídami (nejlépe odpoví dající barvám vozidla) se zakreslují úseky dráhy ve stejných časových intervalech a z těchto údajů se určí rychlost vozidel. Pomalejší z vozidel uvedeme do pohybu dříve a za určitý časový interval vozidlo rychlejší. Mě říme a ověřujeme místo a čas jejich setkání. Obě vozidla uvedeme do pohybu současně ve stejném směru, ale pomalejšímu vozidlu přidě líme určitý dráhový náskok. 8.7. Rovnoměrný pohyb dvou vozidel s různými rychlostmi Obě vozidla uvedeme do pohybu proti sobě z větší vzdálenosti a určíme dobu setkání a dráhy obou vozidel. Na základě stanovení průměrné rychlosti ověříme naměřené hodnoty veličin vý počtem. 8.8. Rovnoměrný pohyb dvou vozidel v opačných směrech - 75 -
8.5. Pohyb zrychlený Kuličku, vodící dráhu, svinovací metr, stopky. Nejjednodušší demonstraci zrychleného pohybu lze realizovat spuštěním kuličky z vrcholu naklo něné roviny. Tu vytvoříme pomocí svinovacího kovového metru, upevněného na vodící dřevěné dráze. Svinovací metr svým profilem tvoří vedení pro pohyb kuličky. Sklon dráhy volíme malý, tak, aby rych lost nebyla příliš vysoká a mohla tak být snadněji zjištěna zvětšující se dráha ve stejných časových in tervalech. 8.9. Zrychlený pohyb tělesa 8.6. Pohyb zpomalený Setrvačníkové autíčko, metronom, papírové značky. Přeložením tužšího papíru sestrojíme papírové značky, které se rozmístí na demonstrační stůl do stejně dlouhých úseků (40 60 cm). Metronom určuje stejně dlouhé časové intervaly, v nichž vozidlo 8.10. Zpomalený pohyb vozidla - 76 -
urazí při svém zpomaleném pohybu postupně kratší dráhové úseky v daném čase nedorazí k ná sledující značce. Experiment můžeme obměnit tím, že budeme v průběhu pohybu vozidla v daných časových in tervalech klást na podložku papírové značky. Úseky drah které vozidla urazí se budou postupně zmenšovat. Na základě znalosti délky dráhy a času pohybu lze určit průměrnou rychlost vozidla v jednotlivých úsecích i na celkové dráze. - 77 -