Síly kolem nás

Jedním z hlavních cílů při výuce mechaniky na střední škole je, aby žáci správně pochopili pohybové zákony, poznali základní druhy sil a uměli tyto znalosti aplikovat v nejrůznějších situacích, a to přinejmenším kvalitativně a v jednoduchých situacích i kvantitativně. Tradiční metoda výuky (výklad učitele + řešení úloh ze sbírky či učebnice) často vede k tomu, že si žáci zákony pouze zapamatují, ale zcela je nepochopí a úlohy se naučí řešit v podstatě formálně, bez jejich fyzikálního pochopení. Přitom kolem nás je tolik situací, které čekají na své vysvětlení pomocí základních sil a pohybových zákonů. Řešení reálných problémů je pochopitelně velmi náročné, neboť se v nich vždy vyskytují komplikující faktory, které musíme zanedbávat a přitom dobře vystihnout podstatu daného problému. Právě to je ale metoda fyziky, kterou by žáci měli poznat. Neměli bychom jim fyziku ukazovat jako dokonalou teoretickou konstrukci, která ovšem s realitou nemá mnoho společného.

Projekt „Síly kolem nás" lze zařadit do výuky po výkladu příslušných partií mechaniky. Jeho hlavní částí je domácí práce žáků na jimi vybrané téma. Cíle projektu jsou:

• ukázat žákům, v jakých reálných situacích lze pohybové a silové zákony použít a podporovat tím jejich vnímání fyziky jako praktického nástroje pro pochopení jevů ze světa kolem nás;
• rozvíjet schopnosti žáků používat správně pohybové zákony, testovat, zda je správně pochopili;
• rozvíjet obecnou schopnost žáků řešit problém do hloubky, vyhledat a zpracovat informace, prezentovat své výsledky;

Průběh projektu

Zadání projektu je třeba věnovat minimálně jednu celou vyučovací hodinu. Žáci dostanou zhruba toto zadání domácího projektu: „Vymyslete si vlastní příklad nějaké reálné situace, kterou je možné vysvětlit pomocí pohybových zákonů a rozboru působících sil. Váš projekt musí obsahovat:

• popis zvoleného problému či situace, popřípadě komentář, kde se s ní můžeme setkat;
• rozbor působících sil a použití pohybových zákonů, správné fyzikální vysvětlení;
• jakýkoli výpočet založený na parametrech, které si najdete na internetu, v tabulkách, knize nebo je odhadnete"

Toto zadání je pro žáky pochopitelně velmi obtížné. Proto ve zbylé části hodiny jednak předvedeme ukázkový projekt, který jsme si pro tento účel vytvořili a na závěr stručně představíme připravený souhrn témat, která by se dala použít. Žáci pak mohou využít jeden ze zvolených nápadů nebo si vymyslet vlastní. Přitom je nutné každé téma předem schválit a případně korigovat, vyhneme se tím případnému pozdějšímu neúspěchu. Na vyřešení necháme žákům několik týdnů, přičemž nesmíme zapomenout nabídnout možnost konzultovat práci ještě před vlastním odevzdáním. Aktivnější žáci přijdou sami, ostatní motivujeme důležitostí, kterou hodnocení projektu přisoudíme. Po fyzickém odevzdání (buď ve formě elektronické prezentace, nebo na papíře) projekty projdeme a vyhodnotíme. Poté uspořádáme malou přehlídku nejlepších projektů.

Dle mojí zkušenosti budete mile překvapeni, že nejlepší projekty budou velmi zajímavé a poučné i pro vás. Na druhou stranu zjistíte, že mnoho žáků přes vaši i jejich snahu pohybové zákony pochopilo částečně nebo zcela špatně. Nebo mají naprosto chybnou představu o působících silách. I to je cenný výsledek.

Ukázkový projekt

Předvedení ukázkového projektu je velmi důležité, aby měli žáci konkrétní představu, jaký je jejich úkol. Jeho volbu můžeme přizpůsobit požadovaným nárokům na obtížnost. Jako ukázku zde uvádím stručnou osnovu projektu „Spirála smrti", který jsem vytvořil jako elektronickou prezentaci. Později můžeme využít i projekty žáků z minulých let.

Spirála smrti

V cirkusových atrakcích nebo na horské dráze se setkáváme se situací, kdy je třeba projet oblouk hlavou dolů (viz obrázek). Pokusme se přijít na to, co se při tomto pohybu děje, jaké síly působí, kdy se udržím a kdy už spadnu.

1. obrázek

GNU

2. obrázek

Jaké síly působí na vozík horské dráhy (cyklistu apod.) při průjezdu spirálou?

• tíhová síla
• tlaková síla (kolmá k rovině dráhy)
• odpor vzduchu, tření, valivý odpor

Podstatný význam pro vysvětlení situace mají první dvě síly. Zatímco tíhová síla je stále stejná, tlaková síla může být různě velká, ale vždy kolmá na dráhu. Ostatní zanedbávám.

Rozbor situace:

2. obrázek

Jaká je podmínka úspěšného projetí dráhy? Kritickým místem je horní bod dráhy. Aby se vozík pohyboval po trajektorii odpovídající poloměru dráhy (neodpadl od ní), musí se zde pohybovat minimálně rychlostí v. Musí platit

F_G=F_DOS => mg=mv²/r => v=odmocnina (gr)

Pro poloměr dráhy r=2,5m vychází ... v=5ms^-1.
Pro poloměr dráhy r=5m vychází ... v=7ms^-1.
Pro poloměr dráhy r=10m vychází ... v=10ms^-1.

Rychlost v dolní části dráhy musí být samozřejmě větší! Při jízdě vypočítanou minimální rychlostí by se pasažéři ve vozíku v horní poloze na chvíli ocitli ve stavu beztíže, působila by na ně totiž pouze jedna síla - gravitace.

Zdroj informací a obrázků:

en.wikipedia.org/wiki/Roller_coaster
www.circushistory.org/Photos/Photo2a.htm

Jako bonus na závěr žákům pustím krátké video průjezd horskou dráhou a průjezd spirály na skateboardu.

Další náměty:

Na závěr můžeme uvést další témata, která nás napadnou a k nim krátkou motivaci. Uvádím zde jen pro inspiraci několik příkladů.

1. Brzdění auta. Jak se liší brzdná dráha pro různé povrchy silnice?
2. Spotřeba auta. Které síly působí proti pohybu při jízdě a jaký je vliv na spotřebu?
3. Superhrdina. Je možné, aby po zásahu kulkou člověk odletěl několik metrů?
4. Tanker. Největší námořní lodě mají brzdnou dráhu přes 5km, proč?
5. Lyžař. Jaké síly působí? Bude těžší lyžař rychlejší?
6. Cesta na Měsíc. Podle Julese Verna měli být lidé vystřeleni v obřím projektilu. Jde to?
7. Kapka deště. Jakou rychlostí padají kapky deště? Jak to záleží na jejich velikosti?
8. Kaskadérský skok. Jakou rychlostí se musí rozjet kaskadér, aby něco přeskočil?
9. Raketoplán. Jakou rychlostí obíhá a proč? Proč je v něm stav beztíže?
10. F1. Proč může projet zatáčku velkou rychlostí? Jaký má koeficient odporu?

Věřím, že sami žáci vás přivedou na řadu dalších zajímavých nápadů, byť fyzikálně třeba nepůjde o nic nového.