Rozjezd kolony aut
Pokus číslo: 2074
Cíl pokusu
Žák rozliší pohyb jednotlivých částic od pohybu celé vlny
Žák formuluje vliv pevnosti vazby na rychlost šíření vlny
Teorie
Při rozjezdu kolony stojících aut (dopředu) se šíří „vlna“ směrem vzad: nejprve se rozjede první auto, následuje druhé a až poté třetí. Rychlost rozjezdu je dána reakční dobou řidičů. Při nulové reakční době by vlna měla rychlost světla, což poukazuje na výhodu bezpilotních aut. Pro motivaci možno žáky odkázat na:
https://www.youtube.com/watch?v=iHzzSao6ypE
Kolonu aut je možno modelovat. My jsme použili dřevěných hranolů spojených pomocí háčků a provázků (Obr. 1).
Čím delší je provázek mezi hranoly, tím pomalejší bude rychlost šíření vlny. Pomocí dvou řad hranolů vedle sebe, z nichž jedna má dlouhé provázky a druhá krátké, lze demonstrovat závislost rychlosti šíření vlny na síle vazby.
Analogicky lze užít také model sestavený z magnetů. Magnety umístíme do řady na hliníkovou kolejnici tak, aby se mohly kutálet, a všechny měly severní pól směrem k nám (Obr. 2). Magnety se budou navzájem odpuzovat. Když jim uvolníme prostor na příslušné straně kolejnice, jeden po druhém se začnou kutálet do volného prostoru, směrem opačným se bude šířit rázová vlna. Rychlost šíření vlny bude tím vyšší, čím hustěji magnety uspořádáme, tedy čím silnější bude vazba mezi nimi.
Úlohy lze použít souběžně s cílem zobecnit vztah mezi silou vazby a rychlostí šíření jakékoliv vlny.
Pomůcky
7 až 14 dřevěných hranolů s přivrtanými háčky na obou koncích, provázek
Pro demonstraci s magnety je třeba pomůcku vyrobit. Bude potřeba 15 až 30 válcových magnetů (rozměry: průměr 2,5 cm, výška 0,5 cm), plastové krytky na magnety vytištěné na 3D tiskárně, oboustranná lepicí páska, hliníková kolejnice vhodných rozměrů
Postup
Při testování úlohy ve výuce jsme využili pracovní list, viz Příloha 1: PL kolona aut.docx.
Nejprve jsme předvedli experiment s dřevěnými špalíky a nechali žáky samostatně odpovědět na otázku: „Na čem závisí rychlost šíření vlny mezi rozjíždějícími se špalíky?“ (např. na délce provázků). Poté jsme žáky nechali samostatně se zamyslet nad otázkou: „Na čem závisí rychlost vlny v rozjíždějící se koloně aut?“ (např. na reakční době řidičů). Nakonec jsme předvedli experiment s magnety s podobnou otázkou (např. na stlačení magnetů k sobě). Poté měli žáci za úkol zobecnit závěr, na čem závisí rychlost šíření jakékoliv vlny. Metodou „peer-instruction “ pak necháme žáky dojít k jednotnému závěru.
V naší zkušební hodině došli žáci k závěru: „Na rychlost šíření vlny prostředím má vliv rychlost přechodu informace/síly mezi body A a B.“ Jedná se spíše o vhodné přeformulování definice rychlosti šíření vlny, ale díky tomu, že byla formulována samotnými žáky, byla veličina lépe pochopena. Učitelem přidaná formulace: „Rychlost šíření závisí na pevnosti vazby částic.“ tak byla velmi dobře přijata.
Vzorový výsledek
Technické poznámky
Pomůcku s magnety jsme vyrobily. Je zapotřebí vytisknout na 3D tiskárně dostatečné množství krytek na magnety (3D model ve formátu .STL – viz Příloha 2: Kryt na magnet.stl). Prvotní model jsme vyrobili v programu Tinkercad (24) a následně ho, ve spolupráci s pracovníky obsluhující 3D tiskárnu, upravili kvůli zlepšení jeho názornosti. Při samotném tisku došlo k zesílení tloušťky stěn součástek ve všech směrech o 0,3 mm, proto je 3D model menších rozměrů, aby po tisku doléhal přesně k hranám magnetu. O přesnosti tisku doporučujeme jednat s firmou, která bude tisk provádět, a podle potřeby model upravit. Průměr vsazených válcových magnetů je 25 mm, jejich tloušťka je 5 mm.
Byl vytisknut zkušební model (Obr. 3 A). Při testování vytištěné pomůcky jsme zjistili, že rozšířením kol zamezíme nevhodnému přetáčení magnetů. Navrhli jsme také změnu geometrie části dosedající na kolejnici, abychom kolo lépe stabilizovali a zamezili tření o hrany. Upravený model (Obr. 3 B), je ke stažení jako Příloha 2: Kryt na magnet.stl.
Ke každému magnetu vytiskneme dva kryty a kusem oboustranné lepicí pásky přilepíme. Dáváme pozor, aby byl magnet na obou stranách správně vycentrován. Kolejnici vyrobíme z hliníkových profilů, my jsme využili dvou hranolů délky 1000 mm, šířky 30 mm a tloušťky 2,9 mm zakoupených v hobbymarketu, mezi ně vložili nemagnetickou výplň vhodné šířky a vše k sobě připevnili.
Při demonstraci je vhodné, aby pomůcka byla buďto zcela vodorovně nebo jen velmi mírně z kopce ve směru rozjezdu.
Cena tisku 40 krytek pro 20 magnetů se v současné době pohybuje okolo 1 500 Kč, celá pomůcka (Obr. 4) by tak mohla stát do 2 000 Kč. Z hlediska demonstrace postupné podélné vlny by mohla být užitečná i delší varianta pomůcky.
