Klíčové koncepty
Fyzika
Potenciální energie
Kinetická energie
Úspora energie
Jednoduchý stroj
Úvod
Přiznejte se, pravděpodobně jste alespoň jednou spustili gumičku – stáhli jeden konec dozadu a nechali ho létat. Měli jste někdy podezření, že gumičky mohou být také zábavným způsobem, jak se učit o fyzice a inženýrství? V tomto projektu zjistíte, kde postavíte auto poháněné gumičkou.
Pozadí
Když gumičku natáhnete, uchová se v ní potenciální energie. Konkrétně ukládá elastickou potenciální energii – typ energie ukládané při deformaci materiálu (na rozdíl od gravitační potenciální energie, typ, který získáte, když zvednete předmět ze země). Když to všechno uvolníte, musí ta uložená energie někam jít. Pokud vrhnete po místnosti gumičku, potenciální energie se převede na kinetickou energii, energii pohybu.
Ale co takhle využít všechnu uloženou energii? Gumičku můžete připevnit k jednoduchému stroji – kolu a nápravě – a vytvořit tak jednoduchý vůz poháněný gumičkou. Ve skutečných automobilech se chemická energie benzínu nebo elektrická energie v baterii přeměňuje na kinetickou energii jedoucího automobilu. Váš model automobilu bude jako zdroj energie používat gumičku. Zprovoznění vašeho vozidla bude vyžadovat trochu inženýrství – vyzvěte se, abyste zjistili, kam až vaše auto může zajít!
Materiály
(Poznámka: Toto je projekt technického designu. Následuje seznam doporučených. materiálů, ale můžete je nahradit různými.)
- Vlnitá lepenka
- Dvě brčka na pití
- Dvě dřevěné špejle
- Čtyři CD (která se mohou poškrábat)
- Sponge
- kancelářská sponka
- různé gumičky
- páska
- Nůžky
- Rovný, tvrdý povrch pro testování vašeho automobilu
- Pistole pro lepení za tepla (volitelně)
Příprava
- Opatrně odstřihněte kus vlnité lepenky, který je o něco delší a širší než délka jedné slámy.
- Přilepte dvě brčka na lepenku, navzájem rovnoběžně, po jedné konec.
- Na kartonu na jednom konci vyřízněte obdélníkový zářez, přibližně jeden palec na jeden palec. Tím také vystřihnete segment ze středu jedné ze slámy.
- Do každé slámy vložte dřevěný špíz. To budou nápravy vašeho vozu.
- Z houby vyřízněte čtyři malé čtverečky a opatrně je přitlačte na konce špízů.
- Připevněte CD k nápravám a vytvořte kola. Udělejte to tak, že do otvoru ve středu disku CD vložíte kousek houby a pak pomocí pásky zajistíte disk CD a zabráníte jeho zakolísání.
- Ujistěte se, že se vaše auto může pohybovat hladce. Položte ji na rovný povrch a zatlačte na ni. Pokud je to nutné, upravte kola tak, aby byla všechna rovnoběžná a neotáčela se. Jak daleko si myslíte, že vaše auto zajde, když ho budete pohánět energií z gumičky?
Postup
- Obtočte kolem sebe gumičku kolem střední odkryté části dřevěného jehle (kde vyříznete zářez v karton a sláma).
- Pásek přilepte ke špejli, aby neklouzal – při otáčení špízu by se s ním měl otáčet.
- Vyřízněte malý otvor uprostřed kousku lepenky.
- Zahákněte sponku do otvoru.
- Zahákněte volný konec gumičky na sponku.
- Natočte nápravu spojenou s gumičkou. Pokud je to nutné, při startování sevřete gumičku na nápravě, aby nesklouzla.
- Položte auto a uvolněte nápravu. Co se stalo? Pohybuje se vaše auto vpřed? Jak daleko to jde?
- Pokud se vaše auto nehýbalo, je čas na řešení problémů.
- Pokud se gumička vůbec nerozvinula, pevněji ji namotejte a zkuste to znovu. Můžete také zkusit změnit umístění štěrbiny pro kancelářskou sponku a upravit těsnost gumičky.
- Pokud se gumička odvinula, ale osa se neotočila, pak gumička možná nebyla připojena dostatečně bezpečně ke špízu. Zkuste jej připevnit ke špízu pevným uzlem nebo pomocí horkého lepidla.
- Pokud se kola roztočila, ale auto se vůbec nepohybovalo vpřed, mohlo by dojít k nedostatečnému tření mezi CD a přízemní. Zkuste použít auto na jiném povrchu. Pokud to stále nefunguje, zkuste dát CD lepší přilnavost tak, že kolem nich natáhnete gumičky nebo po okrajích nanesete kapku horkého lepidla. (Nechte lepidlo úplně zaschnout, než auto znovu otestujete.)
- Experimentujte se svým vozem. Proveďte na něm malé změny a vyzkoušejte to znovu. Jak daleko můžete auto dostat?
- Extra: Pomyslete na „ spotřeba paliva “pro vaše auto poháněné gumičkou. Benzínová auta počítají svou spotřebu paliva v mílích na galon, neboli kolik kilometrů může auto ujet na jeden galon paliva.Vaše auto používá jako zdroj energie namísto benzínu napnutou gumičku. Jak byste mohli měřit „spotřebu paliva“ pro různé konstrukce? Například kolik stop může vaše auto urazit na počáteční natáčení nápravy? Jak se to změní s různými gumičkami nebo různými pozicemi sponky na papír? Co vám dává nejlepší spotřebu paliva?
- Extra: Vyzkoušejte různé typy gumiček, které pohánějí vaše auto. Funguje to lépe s dlouhými nebo krátkými? Silné nebo tenké?
- Extra: Zkuste při výrobě svého auta použít různé materiály. Co se stane, pokud použijete víčka lahví místo CD na kola nebo tužky místo špejle na nápravy?
- Extra: Do tohoto projektu se zapojte s přáteli nebo rodinou. Každý si může postavit vlastní auto a poté zjistit, jehož nejvzdálenější místo je
- Navíc: Místo gumičky můžete postavit auto poháněné balónem. Pokyny najdete níže v části „Další k prozkoumání“.
Pozorování a výsledky
Když natáhnete nápravu vozu, natáhnete gumičku a uložíte potenciální energii. Když jej uvolníte, gumička se začne odvíjet a potenciální energie se přeměňuje na kinetickou energii, když je vůz poháněn dopředu. Čím více napnete gumičku, tím více se uloží potenciální energie a čím dál a rychleji by auto mělo jet.
To vše teoreticky zní skvěle – ale v praxi vám to mohlo připadat obtížné. Několik věcí může zabránit tomu, aby vaše auto fungovalo dobře. Pokud nejsou kola správně vyrovnána, mohou se kývat nebo se zasekávat a bránit vozu v plynulém pohybu. Gumička může vzhledem k dřevěné nápravě proklouznout a zabránit protáčení kol. I když se kola točí, nemusí mít dostatek tření o zem, což by způsobilo, že se točí na místě bez pohybu vozu. To jsou všechny výzvy, které můžete překonat s trochou technického úsilí!
Více k prozkoumání
Postavte si auto poháněné balónem, od společnosti Scientific American
Balloon-Powered Car Challenge, od Science Buddies
Snappy Science: Natažené gumové pásky jsou nabité potenciální energií !, od Scientific American
Absorbujte šok !, od Scientific American
Vědecké aktivity pro všechny věky !, od Science Buddies
Tato aktivita vám přinášíme ve spolupráci s Science Buddies
