Dnes se budeme zabývat padajícími tělesy. Taková tělesa se občas chovají zcela jinak, než bychom očekávali. Před nějakou dobou jsme na tomto místě zkoumali problém, který řešil experimentálně v 17. století Galileo Galilei – padají těžká a lehká tělesa stejně rychle? Podobný experiment s peříčkem a těžkým kladivem provedli také američtí kosmonauti z Apolla 15 na povrchu Měsíce. Video určitě dokážete najít na internetu.
Připravte si dvě hrací karty. Obě karty držte ve stejné výšce asi dva a půl metru nad podlahou a půl metru od sebe (jednu kartu držte ve vodorovné poloze, druhou svisle) a ve stejný okamžik je pusťte. Která z nich narazí na podlahu dříve? Při pokusu buďte opatrní – hrozí úraz při pádu ze židle nebo žebříku – podle toho, jakým způsobem řešíte dosah do požadované výšky.
Jak odhadujete, že pokus dopadne? Pravděpodobně se shodneme na tom, že svislá karta bude padat přímo nejkratší cestou dolů – svislá počáteční poloha způsobí „prořezávání vzduchu“ a tak tato karta v podstatě bez odporu pofrčí dolů. Pokud uvažujete takto, budete překvapeni. Vodorovná karta padá téměř svisle dolů, během pádu se bude pouze lehce pohupovat. Svislá karta začne chvíli po uvolnění rotovat kolem své vodorovné osy. V prvních pár desetinách sekundy ale vzduch klade její hraně velmi malý odpor (ten totiž mj. závisí na ploše, která se o vzduch „opírá“) a tak karta při svém pádu výrazně zrychlí ve srovnání s vodorovnou kartou. Následující otáčení karty dále snižuje odpor vzduchu (vzduch kolem ní profukuje), proto si tato karta nejen že udržuje určitý náskok, ale tento náskok před vodorovnou kartou ještě mírně navyšuje. Rotace svislé karty také způsobuje, že nepadá kolmo dolů, ale směr jejího pádu se odchyluje od svislého směru. Porovnejte směr rotace karty se směrem, kterým se odchyluje. Pokud máte možnost, natočte si pád karet na video a v počítači si jej zpomaleně prohlédněte. Objevíte souvislost zmíněného odchýlení směru pádu se smyslem rotace. Pád vodorovné karty významně zpomaluje odporová síla vzduchu, vztlak, kterého při létání a stoupání využívají zejména bezmotorová letadla nebo rogala.
Vodorovná karta se chová velmi stabilně. Můžete se o tom přesvědčit nejen na nahraném videu, ale i prostým pohledem. V okamžiku, kdy se tato karta začne naklánět na jednu stranu, ji vzduch podepře, a nepatrně převáží na druhou stranu. A tímto způsobem se ve vzduchu kolébá, než dopadne na zem. U karty, která je svislá, každá nepatrná odchylka od přísně svislého směru výrazně zvýší odporovou sílu, působící zespodu na tuto část karty. Karta se rychle otočí, a situace s působením odporové síly a dalším otáčením karty se opakuje. Zatímco vodorovnou kartu odporová síla vzduchu nadnáší, svislou kartu roztáčí.
Do našeho pokusu zapojme novou pomůcku. Jak dopadne soutěž v padání mezi kartou a kovovou mincí – třeba dvacetikorunou? Zase se nabízí jasná odpověď. Dvacetikoruna musí dopadnout dříve. Předpoklad o tom, jak pokus dopadne, můžeme posílit výrazně větší hmotností mince a její menší plochou, a tedy i menším odporem vzduchu. Je zcela jedno, jestli kartu vypustíte z vodorovné nebo svislé pozice. Znamená to tedy, že nelze podmínky pokusu nastavit tak, aby mince a karta spadla ve stejný okamžik? Minci položte kartu, kterou budete držet ve vodorovné poloze. V průběhu celého pádu bude mince „sedět“ na kartě. Pád karty se dokonce touto zátěží o něco zklidní a karta se nebude při pádu kolébat.
Pozorujte, kreslete, zapisujte, mailujte. A hlavně se u pokusů dobře bavte!
Žádný pokus nedělejte bez přítomnosti dospělé osoby – i zdánlivě velmi jednoduchý pokus může nadělat spoustu neplechy.
Žádné komentáře:
Okomentovat