Rolling Race


På ditt merke, sett deg, rull! Hvilke objekter vil gjøre det til bunnen av rampen først - og hvorfor? Gjør deg klar til å sette opp en rampe og teste ut dine teorier! Nøkkelkonsepter fysikk Masse Tyngde Kinetisk energi Potensiell energi Introduksjon Tenk deg å rulle to identiske bokser nedover en skråning, men den ene er tom og den andre er full. Hvilke

På ditt merke, sett deg, rull! Hvilke objekter vil gjøre det til bunnen av rampen først - og hvorfor? Gjør deg klar til å sette opp en rampe og teste ut dine teorier!

Nøkkelkonsepter
fysikk
Masse
Tyngde
Kinetisk energi
Potensiell energi

Introduksjon
Tenk deg å rulle to identiske bokser nedover en skråning, men den ene er tom og den andre er full. Hvilken vil nå bunnen først? Du har kanskje lært at når de gikk ned, faller alle objekter i samme hastighet uansett hvor tung de er (forsømmer luftmotstand). Er det samme sant for gjenstander som ruller nedover bakken? Prøv denne aktiviteten for å finne ut!

Bakgrunn
Når du løfter en gjenstand opp av bakken, har den potensiell energi på grunn av tyngdekraften. Mengden potensiell energi avhenger av objektets masse, tyngdekraften og hvor høy den er fra bakken. Når du slipper objektet, blir denne potensielle energien omdannet til kinetisk energi, eller bevegelsesenergien. Kinetisk energi avhenger av objektets masse og hastighet. Ignorerer friksjonstap, blir den totale mengden energi bevart.

For et rullende objekt er kinetisk energi delt inn i to typer: translasjonelle (bevegelse i en rett linje) og roterende (spinning). Så når du ruller en ball nedover en rampe, har den den mest potensielle energien når den er øverst, og denne potensielle energien konverteres til både translasjons- og rotasjons-kinetisk energi når den ruller ned. Dette fører til spørsmålet: Vil alle rullende gjenstander akselerere ned rampen med samme hastighet, uavhengig av deres masse eller diameter?

Svaret avhenger av objektets tröghetsmoment, eller et mål på hvordan "spredt ut" sin masse er. Hvis to sylindere har samme masse men forskjellige diametre, vil den med større diameter ha større treghet, fordi massen er mer spredt ut. På samme måte, hvis to sylindere har samme masse og diameter, men en er hul (så hele massen er konsentrert rundt ytterkanten), vil den hule ha et større moment av treghet. Trenger trethetsmoment hvor raskt en gjenstand vil rulle nedover en rampe? Gi denne aktiviteten en virvel for å oppdage det overraskende resultatet!
materialer

  • To suppe- eller bønne- eller bruskasser (Du vil teste en tom og en full.)
  • En hul sfære (som en oppblåsbar ball)
  • En solid sfære (som en marmor) (Den trenger ikke å være i samme størrelse som den hule sfæren.)
  • Papirboks eller stabel med lærebøker
  • Flat, stivt materiale som skal brukes som rampe, for eksempel et stykke skumkjerne plakatbrett eller trebrett. Jo lenger rampen er, jo lettere blir det å se resultatene.


Forberedelse

  • Tøm, vask og tørk en av boksene. (Ikke kast bort mat - lagre det i en annen beholder!)
  • Fest den ene enden av rampen din på en boks eller en bunkeboks slik at den danner en 10- til 20 graders vinkel med gulvet


Fremgangsmåte

  • Hold begge bokser ved siden av hverandre på toppen av rampen. Hvem tror du vil komme til bunnen først?
  • Slett begge bokser på samme tid. Se boksene nøye. Hvilken når bunnen først?
  • Gjenta løpet flere ganger. Kan det samme vinne hver gang?
  • Prøv nå løp med dine solide og hule kuler. Hvilken du forutsier vil komme til bunnen først? Hva skjer når du kjører dem?
  • Ekstra: Finn flere runde objekter (kuler eller sylindere) som du kan rulle nedover rampen. For eksempel ruller med tape, markører, plastflasker, forskjellige typer baller, etc. Prøv å kaste forskjellige typer objekter mot hverandre. Hva synes å være den beste prediktoren for hvilket objekt som vil gjøre det til bunnen av rampen først?
  • Ekstra: Prøv aktiviteten med bokser med forskjellige diametre. Hva skjer hvis du sammenligner to fulle (eller to tomme) bokser med forskjellige diametre? Hva med en tom liten boks mot en full stor boks eller omvendt?
  • Ekstra: Prøv å kjøre forskjellige kombinasjoner av sylindere og kuler mot hverandre (hul sylinder mot fast sfære osv.). Kan du lage en nøyaktig forutsigelse av hvilken gjenstand som kommer til bunnen først?


Observasjoner og resultater
Du bør oppdage at et fast gjenstand alltid ruller ned rampen raskere enn et hul objekt med samme form (sfære eller sylinder) - uavhengig av deres eksakte masse eller diameter. Dette kan komme som et overraskende eller counterintuitivt resultat! En klassisk fysikk lærebok versjon av dette problemet spør hva som vil skje hvis du ruller to sylindere med samme masse og diameter - en solid og en hule ned en rampe. Svaret er at den solide vil nå bunnen først. I det konkrete tilfellet er det sant at den faste sylinderen har et lavere treghetsmoment enn den hule man gjør. (Selv om de har samme masse, er hele hulcylinderens masse konsentrert rundt sin ytre kant, slik at treghetsmomentet er høyere.)

Men det er feil å si at "objektet med et lavere moment av treghet vil alltid rulle ned rampen raskere." Det tar litt algebra å bevise (se "Hyperfysikk" -linken nedenfor), men det viser seg at den absolutte massen og diameteren på sylinderen spiller ingen rolle når man beregner hvor fort den vil bevege seg nedover rampen, bare om den er hul eller solid. Så, i denne aktiviteten vil du oppdage at en full bønnebøtte ruller ned rampen raskere enn en tom kan, selv om den har et høyere moment av treghet. (Den har samme diameter, men er mye tyngre enn en tom aluminiumskanne.) Ved å bruke det samme konseptet, viser to bokser med forskjellige diametre å rulle ned rampen med samme hastighet, så lenge de begge er tomme eller fulle. De samme prinsippene gjelder også for kuler. En solid sfære, som en marmor, bør rulle raskere enn en hul sfære, for eksempel en luftfylt ball, uavhengig av deres respektive diametre.

Mer å utforske
Hoop and Cylinder Motion, fra Hyperfysikk ved Georgia State University
Hurtig vitenskap: Hvordan påvirker akselerasjonen avstanden?, Fra
Bekjemp Slippage med friksjon, fra
Vitenskapsaktiviteter for alle aldre !, fra Science Buddies

Denne aktiviteten brakte til deg i samarbeid med Science Buddies

Biospheric Bartering: Debtor Nations Betal regningene og bevare sine ressurserKlimaendring Remobiliserer Long Buried Pollution som arktiske ismelterKeystone XL Oljepipeline forverrer klimaendringKjør ned: Dammer, forurensning Reduser vestkystslaksnummerHøye IQ kan bidra til å redusere posttraumatisk stressFacet-Lift: Selvmonterende nanopartikler kan gi nøkkel til nye materialerTilbake til startHaig Donabedian: Finne en medisinsk nisje