Metodický portál RVP.CZ prochází změnami. Více informací zde.
logo RVP.CZ
Přihlásit se
Titulka > Modul články > Gymnázium

Zobrazit na úvodní stránce článků

Titulka > Modul články > Gymnázium > Maxwellovo kyvadlo

Maxwellovo kyvadlo

Zákon zachování energie, moment setrvačnosti tuhého tělesa, kmitavý pohyb - to jsou namátkou vybrané fyzikální zákony, veličiny a pojmy, které jsou důležité a které prolínají celou fyzikou. Pochopit tyto pojmy mohou žáci i s velmi jednoduchou pomůckou.

Zákon zachování energie, moment setrvačnosti tuhých těles, kmitavý pohyb… to jsou fyzikální zákony, pojmy nebo jevy, které by měl žák střední školy chápat a měl by je umět (alespoň na kvalitativní úrovni) aplikovat při vysvětlování jevů v praxi či při řešení úloh. Tyto pojmy, které prolínají celým studiem fyziky, lze přitom žákům přiblížit jednoduchou pomůckou připomínající dětskou hračku jo-jo.

Příprava pomůcky

Jednoduchý model Maxwellova kyvadla můžeme vyrobit z CD, dvou víček od PET lahví (nebo korkové zátky), niti délky přibližně 1,5 m, špejle a lepidla (viz obr. 1). Mezi dvě víčka od PET lahví vlepíme CD tak, aby víčka byla přilepena symetricky kolem středového otvoru disku. Po zaschnutí lepidla uděláme do slepených víček v jejich středu otvor (pomocí vrtáku nebo nažhaveným hřebíkem) takové velikosti, aby jím bylo možné protáhnout špejli. CD na špejli vystředíme a proti vzájemnému posunu špejle a CD zajistíme lepidlem. Na konec špejle přivážeme jednotlivé konce nitě a pomůcka je připravena k použití (viz obr. 2). Pro snadnější upevnění nitě na špejli a zabránění jejímu prokluzování je vhodné udělat zářezy na obou koncích špejle. Zářezy musí být vzdálené několik milimetrů od konce špejle a musí být na špejli umístěné symetricky.

Potřebné pomůcky
1. Potřebné pomůcky
Jaroslav Reichl, © 2010

Místo víček od PET lahví lze do středového otvoru CD nasadit korkovou zátku a tou potom protáhnout špejli. Pokud tuto pomůcku nechceme vyrábět, můžeme použít dětskou hračku jo-jo, která má podobné vlastnosti.

Pro hlubší studium (přeměn mechanické energie, momentu setrvačnosti těles apod.) je možné místo jednoho CD použít více disků, resp. na jeden disk umísťovat různá závaží (např. dva magnety proti sobě).

Hotová fyzikální pomůcka
2. Hotová fyzikální pomůcka
Jaroslav Reichl, © 2010

Provedení experimentu

Hotovou pomůcku zavěsíme na stojan tak, aby špejle byla ve vodorovné poloze. Otáčením CD kolem osy procházející špejlí navineme nit na špejli (viz obr. 3) a uvolníme (viz obr. 4). Disk se bude pohybovat dolů a postupně bude růst velikost jeho rychlosti. Jakmile dosáhne nejnižší polohy, začne se vlivem setrvačnosti pohybovat zpět nahoru - nit se bude namotávat na špejli v opačném směru. Jakmile dosáhne polohy, v níž bude jeho velikost rychlosti nulová, začne CD opět klesat a celý děj se bude opakovat.

Příprava experimentu
3. Příprava experimentu
Jaroslav Reichl, © 2010

 

Průběh experimentu
4. Průběh experimentu
Jaroslav Reichl, © 2010

Pro srovnání můžeme při uvolnění CD na počátku experimentu ze stejné výšky pustit gumu na gumování, malou kuličku, kousek křídy… Poté vyzveme žáky, ať se pokusí pozorovaný zdánlivý rozpor vysvětlit.

Popsaný experiment můžeme vyžít při výkladu zákona zachování energie, při studiu momentu setrvačnosti tuhého tělesa, kinetické energie tuhého tělesa, jako ukázku kmitavého pohybu atp.

Vysvětlení experimentu

Disk se po uvolnění z počáteční polohy pohybuje v tíhovém poli směrem dolů. Jeho potenciální energie (měřená např. od desky stolu, na kterém stojí stojan) tedy klesá, zatímco jeho kinetická energie roste. Je nutné si uvědomit, že kinetická energie má v tomto případě dvě složky: kinetickou energii posuvného pohybu a kinetickou energii rotačního pohybu. Proto CD klesá pomaleji než např. malá kulička, kousek křídy, guma na gumování. U těchto srovnávacích těles má kinetická energie pouze jednu složku (kinetickou energii posuvného pohybu), potenciální energie disku se tedy mění pouze na tuto složku. Kulička, křída a podobná tělesa se tudíž pohybují rychleji.

Při návratu zpět do horní polohy disk nevystoupí do stejné výšky, z níž byl spuštěn. Příčinou jsou odporové síly působící na disk během jeho pohybu (odporová síla vzduchu, třecí síla nitě na špejli…), na jejichž překonání je nutná určitá práce, která se koná na úkor mechanické energie soustavy (tj. na úkor počáteční potenciální energie soustavy). V této souvislosti lze tedy o odporových silách alespoň kvalitativně mluvit, můžeme zavést (a dopočítat) účinnost přeměn energií a můžeme se společně s žáky zamyslet nad tím, jak by se dala účinnost přenosu energie této soustavy zvýšit či naopak snížit.

V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „Napište nám“.
Napište nám
Celkové hodnocení článku
Přidat komentář Citovat článek