|

Játékos fizika: Quercetti függő golyópálya

quercetti-golyopalya-iskolaba

Quercetti függő golyópálya, másnéven Skyrail Roller Coaster

A fizika nevű tantárgy önállóan csak a 9. évfolyamon kezdődik, de létezik egy játék, ami már-már Öveges professzorra emlékeztető leleménnyel tanítja a kisebb gyerekeket is. A játék nem csak remek oktatójáték, hanem világító tulajdonságánál fogva a gyermekszoba éjszakai dísze is lehet.

Szeretném bemutatni az olasz Quercetti cég SKYRAIL Roller Coaster függő, feszített golyópályáját fiúknak, apáknak, nagyapáknak! A gyerekek újat tanulhatnak, apukák, nagypapák pedig feleleveníthetik régi tanulmányaikat.

Mit tud általában a függő golyópálya?

Ezzel a játékkal igen hosszú, akár 14 métert kitevő golyópályája építhető. A pálya nagyon látványos íveket jár be a levegőben, a sötétben még világíthat is, ezáltal a gyermekszoba legfőbb díszévé válhat. A pálya különböző módon állítható össze: némelyik megtalálható ebben az ismertetésben, a de saját kreativitás kifejezésére mindenki maga is kitalálhat más-más összeálítást.

Ellentétben a régi típusú golyópálya játékokkal, a Skyrail-ben a golyó nem csak egyenletes sebességgel lefele gurul, hanem a meredek lejtőkön felgyorsul, majd ezzel az energiával felmegy a következő csúcsig és majdnem megáll, de onnan csendben továbbgurul egy egyenes szakaszon, hogy aztán a lejtőn hátborzongató kanyarokat véve teljes sebességgel guruljon tovább.

A golyók sebessége tetszés szerint gyorsítható vagy lassítható azzal, ha a tartó oszlopok magasságát megváltoztatjuk. Megfigyeléssel és kísérletezéssel megtalálható az a legnagyobb sebesség, amivel a golyó képes végigmenni a pályán anélkül, hogy a kanyarokban kiesne.

Először kísérletezzünk a játékhoz tartozó fémgolyókkal, mert azok súlya nagyobb, így nehezebben esnek le a pályáról, könnyebb irányítani őket. Utána próbálkozhatunk a gyorsabb üveggolyókkal, állítgassuk a pályát szükség szerint.

Egyszerű golyópályája kisérletek – fizikai alapozáshoz

Íme egy javaslat egy vidám játékra, ami a kíváncsiságot és a kísérletező kedvet is felkelti. Valamilyen órával mérjük meg, hogy mennyi idő alatt tesz meg a golyó egy bizonyos távolságot.

Most változtatgassuk a tartóoszlopok magasságát addig, amíg a golyó a legrövidebb idő alatt teszi meg az adott távolságot. Azonban vigyázzunk, mert ha a golyó túl gyorsan halad könnyen kirepül a kanyarban.

Az ellenkező kísérlet is elvégezhető: változtassuk meg a pályát úgy, hogy a golyó a leghosszabb idő alatt tegye meg ugyanazt a távot. Próbáljuk csak meg, nem is olyan egyszerű!

A Skyrail golyópályát úgy tervezték meg, hogy bármilyen golyót guríthatunk rajta, aminek az átmérője minimum 14 mm, maximum 21 mm, az anyaga lehet fém, műanyag, fa, üveg, és a súlya is tetszőleges. Minden golyófajta más-más sebességgel gurul a pályán, így megfigyelhetjük, kísérletezhetünk és felfedezhetjük a különböző fizikai erők világát, ösztönösen megérthetjük az alapelveket. Ez egy kivételes oktató értéke a játéknak, ami a függesztett golyópályát egyedivé teszi és mással nem helyettesíthető szemléltető eszközként is használható.

Összetettebb golyópálya kísérletek – fedezzük fel a fizikai erőket

A Skyrail függő golyópályán guruló golyó révén nagyon könnyen megérthetjük a sebesség, gyorsulás, lassulás, gravitáció, centrifugális erő, mozgási energia, tehetetlenség, és súrlódás fogalmát.

Az alábbi listán röviden elmagyarázzuk, hogy az egyes fizikai erők mit jelentenek, mitől függenek, illetve a hatásuk milyen módon látható a golyópályán. Aki a leírt kisérletet pontosan hajtja végre, nagyon hamar meg fogja érteni a dolog fizikai lényegét.

  1. Sebesség: egy golyó sebessége sok tényezőtől függ. Számít, hogy milyen meredek a lejtő, mekkora, milyen súlyú és milyen anyagból készült a golyó. Végezzük el a következő kísérletet. Fogjunk 3 különböző típusú golyót és egyszerre engedjük el őket a lejtő tetején, majd figyeljük meg, hogy melyik hogyan gurul. Ha az első golyó lassúbb a többinél, a mögötte lévő 2 golyó mindig bele fog ütközni. Ha viszont az első golyó a leggyorsabb, akkor egyre távolabb és távolabb fog kerülni a mögötte levőktől. Most fogjuk a 3 golyót és sebességük sorrendjében engedjük el őket, kezdjük a leggyorsabbal. Tanulmányozzuk a méretüket és az anyagukat. Ez a megfigyelés már ad némi támpontot, hogy miért is tér el a sebességük. Aki nem találja ki, olvassa tovább és végezzen még több kísérletet.
  2. Gyorsulás és ellentéte a lassulás: e kettőt tapasztaljuk, ha változik a sebesség. A sebesség növekedésével gyorsulás jön létre, a sebesség csökkentésekor pedig lassulás. Mitől gyorsul vagy lassul egy golyó? A legkézenfekvőbb válasz: a lejtő változásától. Indítsunk el egy golyót a torony tetejéről, figyeljük meg, hogy a pálya kezdeti szakaszán lassan gurul, majd felgyorsul és az első meredek lejtő alján eléri a maximális sebességét. Ezután folyamatosan lassul, majdnem meg is áll a következő csúcson. Ez a sebességváltozás ismétlődik egészen a torony aljáig. A lejtőn miért gyorsulnak a golyók? Hát a gravitáció, vagy nehézségi erő miatt! Aki még mindig kiváncsi, olvasson tovább!
  3. Gravitáció: ennek az erőnek köszönhető, hogy a földön maradunk. Nélküle lebegnénk, mint az űrhajósok az űrhajóban. A gravitáció egyik fő hatása a súly,
    aminek részletes fizikai magyarázatát itt most nem írjuk le (akit érdekel, az számos ilyen könyvet találhat, vagy kérdezzen a tanárától). A súly közvetlen kapcsolatban áll a tömeggel. Röviden fogalmazva, a tömeg azt fejezi ki, hogy egy tárgy mennyi anyagot tartalmaz. Például egy lufi formájú szikladarab nagyon nehéz, mert rengeteg anyag koncentrálódik benne, viszont egy azonos méretű léggömb nagyon könnyű, mert abban sokkal kevesebb anyag van (főleg levegő).
    Vizsgáljuk most meg a Skyrail játékhoz tartozó golyókat. A kicsi fémgolyóknak a legnagyobb a tömege, ezért ezek a legnehezebbek. A világító golyók viszont
    éppen ellenkezőleg, nagyon könnyűek: bár a méretük nagyobb, de műanyagból készültek. Lassan talán megérthető, hogy a gravitáció egy erő, aminek hatása
    van a guruló golyókra, hat a sebességükre, a pályától függően gyorsítja vagy lassítja őket. Minél hosszabb a lejtő annál több ideje van a gravitációs erőnek
    kifejtenie hatását.
  4. Centrifugális erő: ennek eredménye, hogy a túl gyorsan guruló golyó kirepül a kanyarban, illetve a huroknál körbe gurul, és nem esik le a hurok közepén. Ennek az az oka, hogy minden tárgy igyekszik megtartani az eredeti egyenes irányt addig, míg más erők nem kényszerítik pályájának megváltoztatására. Mivel a golyópálya kanyarulatának nincs védőkorlátja, ezért a golyó továbbra is egyenesen gurul, ha elegendő sebességgel rendelkezik. Erre az egyenes mozgásra, egyetlen ellentétes erőként a gravitáció hat, ami viszont lefele, a pálya fele nyomja a golyót. Próbálgassuk, hogy melyik az a legnagyobb sebesség, aminél a golyó még nem esik le a kanyarban. Észre fogjuk venni, hogy a kanyaroknál a fémgolyó lesz képes gyorsabban gurulni. Talán már sejthető ennek az oka: mivel nagyobb a tömege, ezért a gravitáció jobban a pályához „tapasztja”, ráadásul kisebb a mérete, így a pálya szélei könnyebben a pályán belül tartják, megakadályozzák, hogy kirepüljön.
  5. Mozgási energia: szereljünk össze egy olyan ívelt pálya szakaszt, aminek a lejtős és emelkedős része pontosan ugyanolyan meredekségű és hosszúságú. Azonos időben, egymással szemben engedjünk el két golyót a pálya két kezdőpontjáról. Ez egy nagyon érdekes és mókás kísérlet, amiből jobban megérthető a tömeg és a mozgási energia lényege. A mozgási energia az az energia, amit egy test magába gyűjt a tömege és mozgása következtében (A mozgási energiát idegen szóval kinetikus energiának nevezzük. A kinetika elnevezés pedig a görög „kynesis”, azaz “mozgás” szóból ered).
    Nézzük mi történhet a golyókkal!

    • Ha két anyagában, méretében és súlyában pontosan azonos golyót engedünk el, akkor a lejtő alján, éppen középen összeütköznek, szinte azonnal megállítják egymást, pici visszagurulás után. Miért van ez? Azért, mert mindkét golyó ugyanakkora mozgási energiával rendelkezett és az ütközés során ez az energia átkerül egyik golyóról a másikra, így azonnal megállítják egymást.
    • Ha az előző 2 golyót nem azonos magasságról engedjük el, azt tapasztaljuk, hogy a magasabbról indult golyó az ütközés pontjánál visszanyomja a másik golyót. Miért? Mert a magasabbról érkező golyó sebessége nagyobb, ezért nagyobb a mozgási energiája is, tehát a lassabb golyónak több energiát ad át, így a lassabb golyót képes visszanyomni.
    • Most engedjünk el két különböző, például egy fém és egy üveggolyót azonos magasságról. Mi történik? Vajon melyik nyomja vissza a másikat? A kisebb vagy a nagyobb? Mint korábban már tanultuk, lényeges a golyó tömege. Tehát, a kisebb golyó, ami fémből készült könnyen visszanyomja a nagyobb méretű ám kisebb tömegű üveggolyót.
    • Meg is fordíthatjuk az előző folyamatot, azaz az üveggolyóval visszanyomhatjuk a fémgolyót, ha a fémgolyó mozgási energiáját csökkentjük. Hogyan? A fémgolyót alacsonyabbról engedjük el, így a gravitációnak kisebb szakaszon lesz ideje energiát adnia a fémgolyónak, tehát az üveggolyó lesz a győztes!
  6. Tehetetlenség: ez annak a mozgási energia mennyiségnek a hatása, amely energiát egy test magába raktározott a sebessége és tömege következtében. A tehetetlenséget jól megfigyelhetjük, ha egy közelítőleg U alakú pálya egyik végén különböző golyókat engedünk el és megnézzük, hogy melyik golyó meddig tud felgurulni a szemközti emelkedőn. Láthatjuk majd, hogy a fémgolyó lassabban ugyan, de magasabbra jut a szemközti oldalon, akár egészen a tetőig, mert a lefele gurulás során több energiát tudott elraktározni a nagyobb tömegének köszönhetően. Ezzel szemben a műanyag golyó alig tud majd felgurulni a szemközti oldalon, mert a kisebb tömege miatt kevesebb mozgási energiát tudott elraktározni. Hát nem csodálatos? A tehetetlenséget idegen szóval inerciának nevezzük.
  7. Súrlódás: szintén egy fontos erő, ami guruláskor a golyókra hat. Azonban ennek csak lassító hatása van, még akkor is, ha a golyó a lejtőn lefele halad. Súrlódásról akkor beszélünk, amikor két test összedörzsölődik. Minél durvább a súrlódó testek anyaga, annál nagyobb a súrlódásuk. Ugyanez érvényes a súlyukra, minél nehezebbek, annál nagyobb a súrlódásuk. (Gondoljunk arra, ha egy szekrényt szeretnénk arrébb tolni. Ha tele van, olyan nagy a súrlódás a szekrény és a padló között, hogy alig tudjuk megmozdítani. Azonban ha kiürítjük, könnyebben csúszik a padlón.) A testek felülete durva, még akkor is, ha mi simának látjuk. Nézzük csak meg egy nagyító vagy mikroszkóp alatt! A golyópályán a golyók valamilyen mértékben súrlódnak a pályával. Ne felejtsük el, hogy ha a golyók nem gurulnának, hanem csúsznának, sokkal nagyobb lenne a súrlódás. Ha különböző típusú golyókat gurítunk lefele egy olyan enyhe lejtőn, ami hosszú egyenes szakaszban végződik, megfigyelhetjük, hogy melyik golyónak nagyobb a súrlódása. Nézzük meg, melyik megy messzebbre. A golyó anyaga és súlya kevésbé hat a sín és a golyó közti súrlódásra. (Mivel nincs jelentős légellenállás, így a súrlódás az egyetlen lassító tényező, ráadásul hiányzik a kellő sebesség is az észrevehető tehetetlenségi hatáshoz.) A súrlódást idegen szóval frikciónak nevezzük.

Aki jobban érdeklődik a természettudományok iránt, tekintsen úgy a Skyrail golyópályára, mint egy „lejtő vagy emelkedő síkra”, amin Galileihez hasonlóan mi is kísérletezgethetünk a dinamika három törvényével {Galileo Galilei olasz fizikus, csillagász, matematikus, természettudós. A fizikában ő honosította meg a kísérleteket és méréseket.}

Mihály Katalin