Sbírka fyzikálních pokusů

Svíčková houpačka

Pokus číslo: 1695

• Cíl experimentu

  Cílem experimentu je demonstrovat změnu momentů sil na dvojzvratné páce.

• Pomůcky

  Svíčka, párátko, dvě sklenice, nehořlavá podložka, zapalovač.

• Teorie

  To, zda je páka v rovnováze, závisí na výsledném momentu síly. Velikost momentu síly působícího na rameno páky je dána součinem velikosti síly působící na toto rameno a vzdálenosti místa působení od osy otáčení. Je-li výsledný moment síly působící na páku nenulový, páka se otáčí.

  Dvojzvratná páka je páka, jejíž osa otáčení se nachází mezi působícími silami. Svíčka, která se otáčí kolem párátka, je dvojzvratnou pákou, kde svíčka tvoří ramena páky a párátko osu otáčení (viz obr. 1).

  V důsledku vysoké teploty vosk v blízkosti plamene taje a ze svíčky odkapává, nebo se vypařuje a následně hoří. Hmotnost svíčky se tedy zmenšuje. Zároveň se zmenšuje také vzdálenost těžiště ramene od osy otáčení, protože vlivem odkapávání a vypařování vosku z konců svíčky se zkracuje délka svíčky. Momenty sil působících na ramena páky i výsledný moment síly se mění, což má za následek otáčení svíčky.

  

• Postup

  1. Odhalíme knot na obou koncích svíčky.

  2. Svíčku propíchneme párátkem středem svíčky (ideálně těžištěm svíčky) tak, aby na obou stranách ze svíčky vyčníval stejně dlouhý kus párátka (obr. 2).

  

  3. Svíčku upravenou podle obr. 2 položíme na sklenice, přičemž každý konec párátka leží na jiné sklenici.

  4. Svíčku na obou koncích zapálíme. Pokud se svíčka nerozhoupe samovolně, lehce do ní strčíme. Pozorujeme pohyb svíčky.

• Výsledek pozorování

  Během hoření odkapával z konců svíčky odtávající vosk. Odkapávání a vypařování vosku probíhá na obou koncích svíčky zároveň, ovšem s různou intenzitou. Intenzivněji k tomuto jevu dochází na rameni svíčky, které je převrácené (plamen je pod svíčkou) než na tom vzpřímeném (plamen je nad svíčkou). To znamená, že na rameno, které je momentálně pod osou otáčení, působí menší moment síly než na rameno, které je v tu samou chvíli nad osou otáčení. Rozdíl mezi momenty sil působících na ramena páky způsobí otočení páky kolem osy (tedy svíčky kolem párátka). Tento proces se neustále opakuje a vzniká tak svíčková houpačka.

  Svíčka se po přibližně dvou minutách hoření rozhoupala do takové míry, že v maximální výchylce byla téměř v poloze kolmé k desce stolu. Součástí pozorování je video.

• Technické poznámky

  • Místo párátka je možné použít hřebík nebo jehlu.

  • Je dobré si pod svíčku dát nějakou nehořlavou podložku (například alobal), abychom zabránili kapání vosku na stůl.

  • Sklenice by měly být dostatečně vysoké, aby umožnily volné otáčení svíčky kolem párátka.

  • Je lepší, když je svíčka dlouhá, protože pak se více projeví odkápnutí každé kapky vosku.

  • Knot svíčky je možné odhalit ořezáním nebo opálením konce svíčky.

  • Je možné, že se svíčka po zapálení nezačne sama pohybovat. Můžeme to vyřešit tím, že ji vyvedeme z rovnováhy (lehce do ní strčíme).

• Metodické poznámky

  • Můžeme se žáky diskutovat, co by pro svíčku a její pohyb znamenalo, kdyby plamen na jednom z konců zhasl. Svoje domněnky snadno ověříme – jeden z konců svíčky uhasíme. Z uhašeného konce přestane odkapávat vosk, tudíž bude těžší a delší než hořící konec. Uhašený konec svíčky bude mít tendenci zůstat pod osou otáčení.

  • Experiment je vhodné provést při výuce rovnováhy na dvojzvratné páce.

  • Svíčková houpačka je příklad systému, ve kterém se výsledný moment síly periodicky mění. Pochopení experimentu může být pro žáky poněkud obtížnější. V tomto směru by mohl pomoci model, který funguje na stejném principu, ovšem na rozdíl od svíčkové houpačky není tak abstraktní.

  • S názorností může pomoci dvojzvratná páka ze školských souprav mechaniky – rovná tyč s dírkami zavěšená v ose otáčení, na kterou lze přidávat závaží a zase je odebírat. Pomocí této páky můžeme demonstrovat princip svíčkové houpačky.

    1. Na zavěšenou dvojzvratnou páku zavěsíme závaží tak, aby na každé dírce byla právě dvě závaží. V tuto chvíli je páka v rovnováze (stejně jako svíčka před zapálením).

    2. Na konci jednoho ramene odebereme jedno závaží (zapálení jedné strany svíčky – pozorujeme vychýlení). Momentálně máme na jednom rameni lichý a na druhém sudý počet závaží.

    3. Od této doby odebíráme vždy dvě závaží, a to z konce ramene, které se zrovna nachází pod osou otáčení (simulujeme tím ubývání hmotnosti svíčky a zkracování její délky).

    4. Pozorujeme-li pohyb páky, zjistíme, že se houpe stejně jako svíčka. Zároveň tento model demonstruje úbytek hmotnosti svíčky a zkracování její délky.