Kluczowe pojęcia
Fizyka
Energia potencjalna
Energia kinetyczna
Zachowanie energii
Prosta maszyna
Wprowadzenie
Przyznaj się, prawdopodobnie przynajmniej raz uruchomiłeś gumkę – odciągnąłeś jeden koniec do tyłu i pozwoliłeś mu latać. Czy kiedykolwiek podejrzewasz, że gumki mogą być również świetnym sposobem na naukę fizyki i inżynierii? Dowiedz się w tym projekcie, w którym zbudujesz samochód napędzany gumką.
Tło
Kiedy rozciągasz gumkę, gromadzi ona potencjalną energię. W szczególności przechowuje elastyczną energię potencjalną – rodzaj energii zmagazynowanej, gdy materiał jest zdeformowany (w przeciwieństwie do grawitacyjnej energii potencjalnej, takiej, jaką uzyskuje się, gdy podnosi się obiekt z ziemi). Kiedy to wszystko uwolnisz, ta zmagazynowana energia musi gdzieś iść. Jeśli wystrzelisz gumkę w poprzek pokoju, energia potencjalna zostanie zamieniona na energię kinetyczną, energię ruchu.
Ale co z wykorzystaniem całej tej zmagazynowanej energii? Możesz przymocować swoją gumkę do prostej maszyny – koła i osi – aby zbudować prosty samochód napędzany gumką. W prawdziwych samochodach energia chemiczna benzyny lub energia elektryczna w akumulatorze jest zamieniana na energię kinetyczną poruszającego się samochodu. Twój model samochodu będzie używał gumki jako źródła energii. Uruchomienie pojazdu zajmie trochę czasu technicznego – rzuć sobie wyzwanie, aby zobaczyć, jak daleko może jechać Twój samochód!
Materiały
(Uwaga: to projekt inżynieryjny. Poniżej znajduje się lista sugerowana materiałów, ale możesz zastąpić inne.)
- Tektura falista
- Dwie słomki do picia
- Dwa drewniane szaszłyki
- Cztery płyty CD (które można zarysować)
- Gąbka
- Spinacz do papieru
- Różne gumki
- Taśma
- Nożyczki
- Płaska, twarda powierzchnia do testowania samochodu
- Pistolet do klejenia na gorąco (opcja)
Przygotowanie
- Ostrożnie wytnij kawałek tektury falistej, który jest nieco dłuższy i szerszy niż długość jednej słomki.
- Przyklej taśmą dwie słomki do tektury, równolegle do siebie, po jednej na każdej koniec.
- Wytnij prostokątne wycięcie w kartonie na jednym końcu, około jeden cal na jeden cal. Spowoduje to również wycięcie segmentu ze środka jednej ze słomek.
- Włóż drewniany szpikulec przez każdą słomkę. To będą osie Twojego samochodu.
- Wytnij cztery małe kwadraty z gąbki i ostrożnie dociśnij je do końców szaszłyków.
- Przymocuj płyty CD do osi, aby utworzyć koła. W tym celu wsuń kawałek gąbki do otworu na środku płyty, a następnie użyj taśmy, aby zabezpieczyć płytę i zapobiec jej kołysaniu.
- Upewnij się, że samochód może się płynnie toczyć. Połóż go na płaskiej powierzchni i popchnij. W razie potrzeby wyreguluj koła tak, aby były ustawione równolegle i nie chybotały. Jak myślisz, jak daleko posunie się Twój samochód, gdy zasilisz go energią z elastycznej gumki?
Procedura
- Zapętl w sobie gumkę wokół środkowej, odsłoniętej części drewnianego szpikulca (w miejscu, w którym wycinasz nacięcie w tektury i słomy).
- Przyklej taśmą gumkę do szpikulca, aby się nie zsunęła – gdy szpikulec się obraca, gumka powinna się obracać razem z nim.
- Wytnij małą szczelinę środek kartonu.
- Zaczep spinacz do papieru w szczelinie.
- Zaczep wolny koniec gumki na spinaczu.
- Nawiń oś podłączoną do gumki. Jeśli to konieczne, podczas uruchamiania ściśnij gumkę na osi, aby się nie ślizgała.
- Opuść samochód i zwolnij oś. Co się dzieje? Czy Twój samochód jedzie do przodu? Jak daleko to zajdzie?
- Jeśli samochód się nie poruszył, czas na rozwiązanie problemu.
- Jeśli gumka w ogóle się nie rozwijała, zwiń ją mocniej i spróbuj ponownie. Możesz także spróbować zmienić położenie otworu na spinacz biurowy, aby wyregulować szczelność gumki.
- Jeśli gumka odwijała się, ale oś się nie obracała, może to oznaczać, że gumka nie została zamocowana wystarczająco bezpiecznie do szpikulca. Spróbuj przymocować go do szpikulca, zawiązując ciasny węzeł lub używając gorącego kleju.
- Jeśli koła obróciły się, ale samochód w ogóle nie ruszył do przodu, może nie być wystarczającego tarcia między płytami CD a ziemia. Spróbuj użyć samochodu na innej powierzchni. Jeśli to nadal nie zadziała, spróbuj zwiększyć przyczepność płyt CD, rozciągając wokół nich gumki lub nakładając kroplę gorącego kleju na krawędzie (pozwól klejowi całkowicie wyschnąć przed ponownym przetestowaniem samochodu).
- Kontynuuj eksperymentowanie ze swoim samochodem. Wprowadź drobne zmiany i przetestuj go ponownie. Jak daleko możesz pojechać samochodem?
- Dodatkowe: pomyśl o „ oszczędność paliwa ”dla Twojego samochodu napędzanego gumką. Samochody napędzane benzyną obliczają swoje zużycie paliwa w milach na galon, czyli ile mil samochód może przejechać na jednym galonie paliwa.W Twoim samochodzie zamiast benzyny źródłem energii jest rozciągnięta gumka. Jak można zmierzyć „oszczędność paliwa” dla różnych projektów? Na przykład, ile stóp może pokonać Twój samochód na początkowy obrót osi? Jak to się zmienia w przypadku różnych gumek lub różnych pozycji spinaczy? Co zapewnia największą oszczędność paliwa?
- Dodatkowo: przetestuj różne rodzaje gumek do samochodu. Czy działa lepiej z długimi czy krótkimi? Grube czy cienkie?
- Dodatkowo: spróbuj użyć różnych materiałów do budowy samochodu. Co się stanie, jeśli użyjesz kapsli do butelek zamiast płyt CD do kółek lub ołówków zamiast szpikulców do osi?
- Dodatkowo: zrób ten projekt z przyjaciółmi lub rodziną. Każdy może zbudować własny samochód i zobaczyć, kto może pojechać najdalej.
- Dodatkowo: możesz zbudować samochód napędzany balonem zamiast gumowej opaski. Zapoznaj się z sekcją „Więcej do odkrycia” poniżej, aby uzyskać instrukcje.
Obserwacje i wyniki
Podczas zwijania osi samochodu rozciągasz gumkę i gromadzisz energię potencjalną. Po zwolnieniu gumka zaczyna się rozwijać, a energia potencjalna jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy samochód jest napędzany do przodu. Im bardziej rozciągniesz gumkę, tym więcej energii potencjalnej zostanie zmagazynowane i tym dalej i szybciej samochód powinien jechać.
To wszystko w teorii brzmi świetnie – ale w praktyce może to być trudne. Kilka rzeczy może uniemożliwić prawidłowe działanie twojego samochodu. Jeśli koła nie są odpowiednio ustawione, mogą się chwiać lub zakleszczać i uniemożliwić płynne toczenie samochodu. Gumka może ślizgać się względem drewnianej osi, zapobiegając obracaniu się kół. Nawet jeśli koła się obracają, tarcie o podłoże może być niewystarczające, co powoduje, że obracają się w miejscu bez ruszania samochodu. To są wszystkie wyzwania, które możesz pokonać przy odrobinie wysiłku inżynieryjnego!
Więcej do odkrycia
Zbuduj samochód z napędem balonowym z Scientific American
Balloon-Powered Car Challenge z Science Buddies
Snappy Science: rozciągnięte gumki są naładowane potencjalną energią !, z Scientific American
Absorbuj wstrząs !, z Scientific American
Science Activities for All Ages !, z Science Buddies
To ćwiczenie dostarczone we współpracy z Science Buddies
