ARBOR SCIENTIFIC 96-1010 Instalační příručka sady s viditelnou proměnnou setrvačností

Jedná se o jedinečnou aktivitu, která se snadno nastavuje a kvalitativně ilustruje abstraktní koncept snadno srozumitelným způsobem. Skládá se ze dvou plastových kotoučů na dvě poloviny (celkem 4 poloviny) o stejné hmotnosti a průměru. Kotouče jsou uvnitř duté s přihrádkami umožňujícími uspořádání kuličkových ložisek do různých konfigurací. Ocelové kuličky (velikost kuličky 19 mm) můžete umístit podél ráfku disků, doprostřed nebo v přímce napříč, jak je znázorněno na obrázku. To efektivně mění rozložení hmoty kolem středu, kolem okraje nebo různé kombinace.

Zavedení

V rotačních systémech je rotační setrvačnost analogická hmotnosti v lineárních systémech. Rotační setrvačnost závisí na hmotnosti a na tom, jak je hmota rozložena kolem bodu otáčení: čím dále, tím větší je rotační setrvačnost. Rotační setrvačnost, stejně jako hmota, odolává zrychlení. Čím vyšší je rotační setrvačnost, tím větší krouticí moment je zapotřebí ke zrychlení otáčení.
Když se těleso otáčí nebo točí kolem osy, úhel, který svírá jeho rotující hmota s osou, v rovině rotace se s časem mění; to znamená, že existuje úhlová rychlost. To je nula, když se tělo netočí. Na druhou stranu, pokud se úhlová rychlost zvýší (nebo sníží), dojde k úhlovému zrychlení. Když změníte rotační pohyb tělesa, změníte jeho úhlovou rychlost nebo mu přidělíte úhlové zrychlení/zpomalení.
Stejně jako lineární síla způsobuje změnu v lineárním pohybu, točivý moment (τ) způsobuje změnu v rotačním pohybu. Tento vztah je vyjádřen rovnicí:
= α
kde I je moment setrvačnosti tělesa a α je jeho úhlové zrychlení. Čím větší je moment setrvačnosti tělesa, tím větší točivý moment by byl potřebný k tomu, aby mu bylo uděleno úhlové zrychlení. Čím je ale moment setrvačnosti tělesa větší (nebo menší)? Jedním z faktorů je jeho hmotnost. Těžší předměty mají větší setrvačnost. Objekty se stejnou hmotností však reagují na rotační síly odlišně v závislosti na tom, kde jsou jejich hmoty soustředěny kolem osy rotace.

Nastavení

Pro dosažení nejlepších výsledků nastavte nakloněnou rovinu dlouhou asi jeden metr. K tomu, aby disky neutíkaly, pomáhá také zpětná pojistka nebo lapač. Nakloněná rovina by měla být zvednuta do poměrně mělkého úhlu. Tím se zabrání sklouznutí disků po rovině a zpomalí se zrychlení disků, takže výsledky lze snadno pozorovat.

Činnosti

Nejprve vyjměte kuličková ložiska z každého disku. Umístěte a držte dva kotouče (na jejich okrajích) vedle sebe v horní části sklonu a nechte je současně jít. Sledujte jejich relativní rychlosti ze strany. To by mělo vést k tomu, že disky dosáhnou dna současně, protože jejich setrvačnost je stejná.
Pomocí kuličkových ložisek změňte, kde se hmota rozloží ve dvou pláštích. Vložte jeden z kotoučů se 4 kuličkovými ložisky ve vnějším ráfku a kuličková ložiska vložte do vnitřního kruhu druhého. Srolujte je dolů ze svahu jako předtím.

Vyzkoušejte experiment s jedním diskem zatíženým čtyřmi kuličkovými ložisky v řadě a druhým se 4 kuličkovými ložisky zatíženými ve vnějších oddílech. Srolujte je dolů po svém sklonu. Porovnejte jejich rychlosti.
Doposud jste udržovali hmotnost obou disků stejnou, naložené nebo nezatížené. Nyní experimentujte se dvěma vloženými disky, aby se jejich hmotnosti lišily. Napřample, použijte čtyři ložiska na jednom disku ve středu a pouze dvě na vnějším ráfku druhého. Znovu porovnejte jejich rychlosti odvalování.

Doporučeno

Gyroskopické kolo (93-3501) Nastavitelné hmoty a rozsáhlé demonstrace usnadňují studentům zažít komplexní koncepty procesí a setrvačnosti.
Demonstrátor rotační setrvačnosti (P3-3545) Pozorujte úhlové zrychlení přístroje a zkoumejte účinky změn točivého momentu a setrvačnosti.
Zkoumání Newtonova prvního zákona (P6-7900) Studenti zkoumají setrvačnost pozorováním pohybu mramoru kolem speciálně navržené kruhové dráhy.

Dokumenty / zdroje

Sada viditelné setrvačnosti ARBOR SCIENTIFIC 96-1010 [pdf] Instalační průvodce
96-1010 Sada viditelné setrvačnosti, 96-1010, sada viditelné setrvačnosti, sada proměnné setrvačnosti, sada setrvačnosti, sada

Reference

Uživatelská příručka

Obsah

Pozadí