Sporty Science: Mekanikken i et karnevalspill


En morsom leksjon i fysikk: Få fysikk på din side for bedragerisk karnevalspill! så lett? For å svare på dette, ser vi på dette klassiske karnevalspillet, som iblant heter "One Ball", der melkflasker er stablet i en pyramide, og du får et kaste med en ball for å prøve å slå dem over. For å slå

En morsom leksjon i fysikk: Få fysikk på din side for bedragerisk karnevalspill! så lett? For å svare på dette, ser vi på dette klassiske karnevalspillet, som iblant heter "One Ball", der melkflasker er stablet i en pyramide, og du får et kaste med en ball for å prøve å slå dem over. For å slå dette spillet er det nyttig å tenke på hvordan omfordeling av et objekts masse kan påvirke hvor godt det balanserer. For eksempel kan det være lett å stå på en balanse, mens du holder en tung ryggsekk som henger ned foran deg, men det er mye mer utfordrende når ryggen er på ryggen.

Hvordan en gjenstands masse distribueres kan påvirke massesenteret, som er den gjennomsnittlige plasseringen av det meste av en objekts masse. Dette betyr i utgangspunktet at massesenteret vil være i objektets senter hvis massen er jevnt fordelt på toppen og bunnen (som det vanligvis er med en ball). Og det vil skifte til objektets tyngre side hvis massen ikke er jevnt fordelt. Så, for en pyramide, vil massesenteret være mye lavere enn det fysiske senteret fordi så mye mer av massen er plassert i nedre halvdel.

materialer

  • Et veldig stort rom eller et uteområde (Du trenger mye plass, slik at du kan kaste en ball uten å treffe noen eller noe.)
  • Et lite, stabilt bord
  • Maskeringstape, en pinne, en stein eller en lignende gjenstand som markerer en kasteavstand
  • Tennisball eller baseball
  • Tre plastflasker fylt med vann, samme form og størrelse (Pass på at du stabilt stabler flasker i en pyramideform. De fleste 16, 9-fluid ounce drikkevannflasker skal fungere godt for dette.)
  • Matfarging (valgfritt)

Forberedelse

  • Fyll hver flaske med vann. Den samme mengden vann skal være i hver flaske.
  • Hvis du vil, kan du fjerne etikettene fra flasker og legge til matfarging (tre dråper) til hver flaske for å gi karnevalspillet noen farge. Hvis du legger til matfarging på flasker, må du kontrollere at du gjør testingen der det ikke vil være et problem hvis en flaske søler litt farget vann! (Hvis du bruker farget vann, anbefales det at du gjør denne aktiviteten utendørs.)
  • Ta med materialene til det store rommet eller området utenfor der du kan sette opp mini-karnevalspillet ditt.
  • Sett det lille bordet i en avstand fra din "kaste linje". Du kan prøve rundt åtte meter unna bordet. Merk kastlinjen ved hjelp av et stykke maskebånd, en stein, en pinne eller en lignende gjenstand.

Fremgangsmåte

  • Pass på at vannflasken er tett. Stabel de tre flasker i en stabil pyramideform på bordet, med to flasker på bunnen og en på toppen som er sentrert mellom dem og hviler på dekslene. Hvor stabil er pyramiden din?
  • Kast kule tennisbanen (eller baseball) på flaskepyramiden fra kastlinjen. Har du truffet noen flasker? Hvis ja, hvilken flaske ble truffet? Hvor mange flasker ble banket over?
  • Ordne pyramiden som det var før på bordet.
  • Gjenta denne prosessen til du har truffet pyramiden minst 10 ganger med ballen. Prøv å kaste ballen på samme måte hver gang, og prøv å slå hver flaske et par ganger. Hvor mange flasker blir vanligvis banket? Ser det ut til å avhenge hvilken flaske du treffer med ballen? Hvis ja, hvilken flaske (r) trenger du å slå for å banke over de fleste flasker?
  • Ta nå toppen flaske fra pyramiden og tøm vannet ut av det. Stakk flasken i en stabil pyramideform på bordet med den tomme flasken på toppen. Hvor stabil virker denne pyramiden?
  • Som du gjorde før, kast ballen fra kastlinjen ved pyramiden minst 10 ganger, og omplassere pyramiden på bordet etter hvert kast. Prøv igjen å kaste ballen på samme måte hver gang, og prøv å slå hver flaske et par ganger. Hvor mange flasker blir vanligvis banket over nå? Har det en tendens til å slå på de fleste flasker med en viss flaske (eller flasker)?
  • Ta en av de nederste flasker fra pyramiden og tøm vannet ut av det. Stakk flasken i en stabil pyramideform på bordet med de to tomme flasker på bunnen og den vannfylte flasken på toppen. Hvor stabil virker denne pyramiden?
  • Som du gjorde før, kast ballen fra kastlinjen ved pyramiden minst 10 ganger, og omplassere pyramiden på bordet etter hvert kast. Prøv igjen å kaste ballen på samme måte hver gang, og prøv å slå hver flaske et par ganger. Hvor mange flasker blir vanligvis knocked over med denne pyramide arrangementet? Har det en tendens til å slå på de fleste flasker med en viss flaske (eller flasker)?
  • Samlet sett, hvilket pyramidarrangement førte til det høyeste antall kast hvor alle tre flasker ble banket over? Med andre ord, hvilket arrangement var mest vellykket? Hvilken var minst vellykket? Hvilken flaske (r) bør treffes for å få det største antallet flasker til å falle ned?
  • Ekstra: Du kan gjenta denne aktiviteten, men denne gangen kan du kvantifisere resultatene dine. Det er når du tester hvert pyramidearrangement, skriv ned hvilken flaske som treffes hver gang og hvor mange flasker er banket over. Hvis du kvantifiserer resultatene dine, bare hvor mye mer "vellykket" er en pyramideordning sammenlignet med en annen? Hvor mye bedre er det å slå en flaske sammenliknet med en annen?
  • Ekstra: Prøv å flytte kastlinjen nærmere pyramiden eller lenger bort fra den. Hvordan endrer kasteavstanden fra pyramiden hvor vellykket du er ved å banke den over?
  • Ekstra: I stedet for flasker kan du bruke treblokker og arrangere dem i forskjellige konfigurasjoner, for eksempel stabling alle tre ovenpå hverandre. Ved hjelp av treblokker, hvilken konfigurasjon er lettest å slå over? Hvilken er vanskeligste?

Observasjoner og resultater
Når pyramiden ble arrangert med to tomme flasker på bunnen (og en fylt flaske på toppen), ble det over det enkleste? Var det å slå nederste flasker vanligvis den beste tilnærmingen?

Mange mennesker kan i utgangspunktet tro at midtpunktet til den første flaskepyramiden du har laget er midt i strukturen (hvor den øvre flasken hviler på de nedre). Men i denne konfigurasjonen, med alle flasker fylt likt, er det faktisk nærmere midten av de to bunnflasker-fordi det er to flasker på bunnen, er det mer masse på bunnen av pyramiden enn toppen. Så er massesenteret nærmere pyramidens bunn. I det andre pyramidearrangementet ble massesenteret enda lavere fordi mer masse var i bunnen av pyramiden sammenlignet med toppen. I det tredje pyramidearrangementet ble massesenteret mye høyere - et sted i toppflasken.

Du burde ha funnet ut at den tredje pyramiden, med sitt høyere massesenter, var den enkleste å slå over og mest ustabil, sannsynligvis at alle tre flasker faller over når ballen berørte noen av dem. På den annen side var den andre pyramiden, med dens nedre midtpunkt, sannsynligvis det vanskeligste å banke over helt. Generelt bør det være den mest vellykkede tilnærmingen for å slå ned hele pyramiden ved å slå det nedre området mellom bunnflasker (under midten av massen av pyramiden). Bortsett fra den tredje pyramiden slår toppflasken sannsynligvis bare den øverste flasken av pyramiden, slik at de to andre fortsatt står.

Mer å utforske
The Scientific Method & Carnival Games, fra Portage, Inc.
Center of Mass, fra High School Online Collaborative Writing
Morsom, vitenskapelig aktivitet for deg og din familie, fra vitenskapelige venner
Knock Your Blocks Off: The Mechanics of Carnival Games, fra Science Buddies

Denne aktiviteten brakte til deg i samarbeid med Science Buddies

Discoverers of Shape-Shifting Particles Vinn Nobel Physics PrizeForurensning, Fattigdom og Folk av Farge: Astma og Inner CityEr etanol fra korn dårlig for klimaet?Lettere å svelge: US Beefs Up FDA med Food Safety Modernization ActVerden kan ha mindre tid til å takle klimaendringer enn forskerne tenkteNytt eksperiment tar sikte på å spre Neutrino Mass MysteryCDC-studie finner rakettstoffkjemikalier i babyformelKonsekvensene av klimaendringer utvider menneskelig helse