Vrtulový pohon a plachta
Pokus číslo: 4487
Cíl pokusu
Cílem pokusu je seznámit žáky pomocí lepenkových vozíků navržených Václavem Piskačem s působením sil při použití vrtulového pohonu vozíku a plachty.
Teorie
Situace 1: Vozík s vrtulí stojí na stole.
Zapneme vrtuli. Roztočená vrtule upevněná na vozíku strká do okolního vzduchu a působí na něj silou. Vzduch naopak strká do vrtule a působí na ni silou. Podle zákona akce a reakce jsou síly stejně velké a opačně orientované. Díky silovému působení okolního vzduchu na vrtuli se vrtule společně s vozíkem rozjede.
Situace 2: Vozík s vrtulí stojí na stole, druhý vozík s upevněnou plachtou stojí volně proti němu tak, že vrtule je namířená na plachtu.
Zapneme vrtuli. Vzduch poháněný vrtulí naráží do plachty upevněné na druhém volně stojícím vozíku a působí na ni silou (a plachta naopak na něj). Díky silovému působení proudícího vzduchu na plachtu se vozíček s plachtou rozjede na opačnou stranu než vozík s vrtulí.
Situace 3: Vozík s vrtulí spojíme pevně s vozíkem s plachtou, tvoří tak jednu soustavu.
Pokud je plachta dostatečně velká, aby „pobrala“ všechen vzduch rozpohybovaný vrtulí, pak síla, kterou působí vzduch na vrtuli, je stejně velká jako síla působící na plachtu, která je ovšem opačného směru. Protože tyto síly působí vrámci jedné soustavy (vozíky s vrtulí a plachtou jsou spojené), sečtou se a jejich výslednice bude nulová. Celá soustava tedy stojí.
Situace 4: Vozík s vrtulí a vozík s plachtou jsou stále spojené. Mezi vrtuli a plachtu vsuneme desku.
Při vsunutí desky mezi vrtuli a plachtu bude vzduch poháněný vrtulí narážet do desky, která není součástí soustavy spojených vozíků. Odstraníme tím sílu, kterou působil vzduch na plachtu. Výsledná síla působící na spojené vozíky bude tedy síla, kterou působí vzduch na vrtuli. Spojené vozíky se rozjedou stejným směrem, jakým jel samotný vozík s vrtulovým pohonem.
Pomůcky
- dva lepenkové vozíky navržené Václavem Piskačem
- nástavec s vrtulí ze sady lepenkových vozíků
- plachta ze sady lepenkových vozíků
- plochá baterie
- deska (případně stačí například sešit)
Postup
Připevníme nástavec s vrtulí a plachtu na vozíky. Do nástavce s vrtulí upevníme plochou baterii. Vrtulový pohon se zapne připojením krokosvorek k baterii.
Situace 1: Necháme na stole vozík s vrtulovým pohonem. Zapneme vrtulový pohon a pozorujeme, že se vozík rozjede na opačnou stranu než na kterou fouká vzduch.
Situace 2: Postavíme proti sobě volně vozík s vrtulí a vozík s plachtou tak, aby byla vrtule namířená na plachtu. Zapneme vrtulový pohon a pozorujeme, že se vozíky rozjedou opačnými směry.
Situace 3: Postavíme oba vozíky proti sobě a spojíme je pomocí háčků na přední straně vozíků. Zapneme vrtulový pohon a pozorujeme, že spojené vozíky stojí na místě.
Situace 4: Vozíky zůstávají spojené, mezi vrtulový pohon a plachtu vsuneme desku. Vozíky se dají do pohybu směrem, kterým se předtím pohyboval vozík s vrtulí.
Vzorový výsledek
Technické poznámky
Směr otáčení vrtule záleží na polaritě připojení krokosvorek k baterii. Je dobré si připojení předem vyzkoušet, aby vrtule foukala vzduch ve správném směru.
Při provádění pokusu se spojenými vozíky je třeba, aby vrtule i plachta byly svisle a přímo proti sobě. Pokud je plachta šikmo, nebo je vrtule nakloněná, vzduch může foukat mimo plachtu a spojené vozíky se rozjedou.
Metodické poznámky
Experimentem můžeme žákům vysvětlit, proč není možné například sám sebe zvednout taháním se za tkaničky či pohánět plachetnici namířením větráku připevněného k palubě na plachtu.
Dále jej lze využít při nabourávání miskoncepcí, jako například:
- Na těleso, které je v klidu, nepůsobí vůbec žádné síly.
Podle Mandíkové, D. a Trny, J., Žákovské prekoncepce ve výuce fyziky, Paido 2011, ISBN 978-80-7315-226-0
