W naturalnych warunkach – o fizyce w kolejce górskiej Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Kolejki górskie, karuzele oraz inne atrakcje parków rozrywki mogą być źródłem wspaniałej rozrywki, jak również bazą do przeprowadzenia lekcji fizyki, twierdzi Giovanni Pezzi.

Park rozrywki lub wesołe miasteczko, stanowi idealne miejsce dla eksperymentów fizycznych, których nigdy nie udałoby się przeprowadzić w klasie. Na świecie, niektóre projekty zawierają odpowiednie ćwiczenia (zobacz ‘Źródła’).

Jeden z takich projektów to ‘Mirabilandia, un’aula senza pareti’ (Mirabilandia, klasa bez ścian), włoski projekt zapoczątkowany w 2002 roku przez nauczycieli ze szkoły średniej Liceo Torricelli w Faenza, w miejscowym parku rozrywki Mirabilandia^w1. Powodzenie pomysłu spowodowało, że kierownictwo parku zdecydowało się udostępnić go wszystkim szkołom, organizując ścieżki edukacyjne, przy udziale studentów nauk przyrodniczych.

Może sam mógłbyś doprowadzić do podobnych uzgodnień w miejscowym wesołym miasteczku? Tymczasem opisujemy wybrane ćwiczenia, nadające się do przeprowadzenia w dowolnym parku rozrywki lub wesołym miasteczku. Trzeba będzie wpierw na miejscu, w parku albo online, poznać dane techniczne urządzeń, np. w bazie danych kolejki górskiej^w2. Władze parku muszą wyrazić zgodę na wzięcie ze sobą na pokład urządzeń pomiarowych, przymocowanych bezpiecznie do ciała albo do konstrukcji. W naszym przypadku, dyrektor szkoły uzgodnił z zarządem parku szczegóły projektu.

Ćwiczenia są przeznaczone dla uczniów w wieku 15-19 lat, choć można także dostosować je dla młodszych grup. Obejmują zagadnienia: ruchu prostoliniowego i po okręgu, szybkości i przyspieszenia, trzech praw ruchu, ciążenia powszechnego, siły dośrodkowej i odśrodkowej oraz przemian energii.

Uczniowie powinni znać podstawowe pojęcia kinematyki i dynamiki, potrzebne będzie też wprowadzenie do ćwiczeń przed ich wizytą w parku.

Praca zajmuje około jednej godziny podczas każdego przejazdu, jednak oczekiwanie w kolejce może ten czas wydłużyć. Jeden zespół wykonuje pomiary na pokładzie, inne pracują na ziemi. Zwykle nie ma czasu by każda grupa zdołała powtórzyć pomiary, można jednak porównywać dane uzyskane przez różne grupy. Ocena wstępna dokonywana jest w parku, dalsza ewaluacja po powrocie do klasy.

W Mirabilandia uczniowie otrzymują zeszyty ćwiczeń. Część takiego zeszytu przetłumaczono na angielski i można ją pobrać z Internetu^w3.

Kolejki górskie

Na powierzchni ziemi

Narysuj dwuwymiarowy szkic zmian wysokości kolejki górskiej i omów przemiany energii dokonujące się wzdłuż toru, szczególnie na pierwszym zjeździe i na pionowych pętlach.

Na najwyższym wzniesieniu kolejki, przed pierwszym zjazdem, grawitacyjna energia potencjalna jest największa. Na zjeździe, często mającym paraboliczny kształt i na którym przez kilka sekund pasażerowie doświadczać mogą nieważkości (w idealnym przypadku, bez tarcia, składowa pionowa szybkości rośnie ze stałym przyspieszeniem g, podobnie jak w swobodnym spadku), jest ona przekształcana w energię kinetyczną.

Omów wpływ siły grawitacji i siły odśrodkowej podczas przemieszczania się wzdłuż pionowych pętli. Pętle mają kształt kropli, naśladujący krzywą spiralną, dla której promień krzywizny jest odwrotnie proporcjonalny do odległości od jej centrum, by dla komfortu pasażerów obniżyć dominujące w pętli przyspieszenie dośrodkowe.

Szybkość ruchu kolejki górskiej można ocenić prawidłowo tylko po wyznaczeniu jej wartości:

a) Oblicz szybkość chwilową dzieląc długość pociągu kolejki górskiej przez czas, w jakim cały skład pociągu, mija określony punkt na trasie jazdy.

b) Aby poznać średnią szybkość pociągu na danej sekcji toru kolejki, wybierz dobrze widoczną sekcję o nieskomplikowanym kształcie. Policz podkłady w tej sekcji (regularnie rozmieszczone poprzeczki między szynami) i odejmij jeden, by uzyskać liczbę odstępów. Zmierz czas, w którym pociąg pokonuje tą sekcję toru. Aby obliczyć przebytą odległość, pomnóż liczbę odstępów przez długość pojedynczego odstępu (odległość między dwoma podkładami). Wynik podziel przez zmierzony czas.

Porównaj chwilową szybkość zarejestrowaną na końcu pierwszego (najszybszego) zjazdu z szybkością obliczoną dla ciała spadającego swobodnie: v = √(2 g h) gdzie v – szybkość, g – przyspieszenie ziemskie, h – wysokość.

Zmierzona szybkość powinna być mniejsza, ze względu na tarcie.

W kolejce górskiej

Zwróć uwagę na uczucia lekkości lub ciężaru (przyspieszenie) na wybranych odcinkach trasy. Dokładniejsze dane można uzyskać z pomocą przyspieszeniomierzy sprężynowych, albo bardziej skomplikowanych zestawów podręcznych^w4. Porady dotyczące ich budowy i / albo pozyskania oraz ewaluacji wyników można pobrać z internetu^w3.

Ostatnio popularność zyskują smartfony wyposażone w trójosiowe przyspieszeniomierze. Programy użytkowe tych telefonów pozwalają rysować wykresy zależności przyspieszenia od czasu, lub też pomiar kątów nachyleń. Można je trzymać w kieszeni, bez konieczności zachowywania rygorystycznych warunków bezpieczeństwa.

Wieże swobodnego opadania

Wieże swobodnego opadania są pionowymi torami, które pasażerowie pokonują siedząc na platformach. W niektórych typach wież platforma jest spuszczana swobodnie (spadek swobodny), w innych jest pchana do dołu lub do góry z siłą większą od siły grawitacji.

Możesz obliczyć średnią szybkość platformy, po zmierzeniu z ziemi stoperem czasu jej zejścia i dzieląc przez niego wysokość wieży. Porównaj otrzymaną wartość z szybkością chwilową ciała w swobodnym spadku. Do wyznaczenia wysokości wieży potrzebny jest kątomierz i podstawowa znajomość trygonometrii, albo geometrii. Szczegółowe instrukcje są do pobrania w sekcji zasobów^w3.

Podczas jazdy na własnym ciele odczuwasz przyspieszenie, które możesz także zmierzyć przenośnymi instrumentami elektronicznymi^w4.

Na wieżach, na których gondola jest pchana w dół, przyspieszenie może trzykrotnie przewyższyć przyspieszenie grawitacyjne.

Jeżeli zabierzesz ze sobą plastikową filiżankę napełnioną wodą zaobserwujesz, że podczas swobodnego spadku woda pozostanie wewnątrz filiżanki, ale jeśli gondola będzie dodatkowo pchana w dół, wtedy poziom wody w filiżance podniesie się. Alternatywnie zastosuj małą, gumową piłkę (przebij piłkę by przymocować sznurek), przywiązaną do przegubu i umieszczoną na dłoni.

Diabelskie młyny

Ćwiczenia opisane poniżej przeznaczone są dla uczniów w wieku 11-14 lat. Powinni oni znać pojęcia szybkości i ciśnienia atmosferycznego. Dowiedzą się natomiast o ruchu jednostajnym po okręgu (czas, szybkość, częstotliwość) i będą stosować wiedzę o ciśnieniu atmosferycznym.

Uczniowie powinni zauważyć, że czas każdej czwartej części obrotu jest podobny, czyli ruch koła jest regularny, a szybkość stała.

Oblicz długość toru gondoli (znając promień koła) i jej średnią szybkość. Jako ćwiczenie matematyczne w zastosowaniu do realnego świata, oblicz kąt między poprzeczkami łączącymi dwie sąsiednie gondole z środkiem koła (podziel 360° przez liczbę gondoli).

Możesz poznać wysokość koła w ten sam sposób, jak w przypadku wieży swobodnego spadku (zobacz powyżej) albo przy użyciu elektronicznego barometru, którym zmierzysz zmianę ciśnienia atmosferycznego podczas jazdy.

Zmiana ciśnienia o 0.1 kPa odpowiada zmianie wysokości o około 8 m. Dokładny opis zależności pomiędzy ciśnieniem i wysokością jest dostępny online^w5. Porównaj otrzymane rezultaty i omów dobre i złe strony każdej metody (dokładność, przyrządy, czas wykonania pomiaru i włożony wysiłek).

Karuzele

Karuzela świetnie nadaje się do zapoznania uczniów z wahadłem Foucaulta i efektem Coriolisa. Uczniowie powinni być obeznani z ruchem wahadła, prawami ruchu, grawitacją, siłami: dośrodkową / odśrodkową i ruchem obrotowym. Szczegóły przeprowadzenia eksperymentów można pobrać z internetu^w3.