Tento pokus, či už v drevenom alebo kovovom vyhotovení, bol v prvej polovici 18. storočia súčasťou väčšiny fyzikálnych kabinetov. No zároveň sa s ním spája už Archimedes, takže je známy viac ako dvadsať storočí a neustále nás dokáže fascinovať. Jeho nádherné remeselné vyhotovenia možno nájsť vo viacerých múzeách celého sveta.
Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Pomôcky
Tvrdý papier A4, kartónová rolka z kotúčového toaletného papiera, dve rovnaké pravítka, lepiaca páska, nožnice, kružidlo, dva korky či gumy
Postup
Z tvrdého papiera vystrihneme kruh s priemerom papiera, ktorého šírka je štandardne 21 cm. Kruh rozstrihneme na polovice a zrolujeme ich do dvoch kužeľov. Tie zlepíme k sebe podstavami pomocou lepiacej pásky, čím vytvoríme dvojitý kužeľ. Pravítka na jednom konci zlepíme dokopy lepiacou páskou tak, aby sme z nich vytvorili rozchádzajúce sa koľajnice. Koľajnice na nespojenom konci podložíme korkami alebo gumou, aby sme z pravítok vytvorili naklonenú rovinu.
Pozorovanie
Na koľajnice najskôr položíme kartónovú rolku, pričom sa môžeme presvedčiť, že máme pred sebou naozaj naklonenú rovinu. Rolka sa pohne smerom dolu. Potom na koľajnice položíme dvojkužeľ. V tomto okamihu môžeme pozorovať jednu z troch možností: 1. kužeľ sa bude pohybovať nadol; 2. zostane stáť alebo 3. rozbehne sa nahor. Poslednou je úkaz, ktorý chceme pozorovať. Ak namiesto toho pozorujeme prvé dve, potrebujeme pokus upraviť, a to nastavením rozchodu koľajníc tak, že posunieme nezlepené konce pravítok ďalej od seba. Prípadne ešte môžeme zmenšiť naklonenie roviny výmenou podložiek pod koľajnicami za nižšie. Naším cieľom je dosiahnuť, aby sa dvojkužeľ pohyboval presne v opačnom smere ako rolka čiže valec.
Vysvetlenie
Z pohľadu energie sa všetky telesá v prírode snažia zaujať polohu s najnižšou energiou, teda miesto s čo najnižšie položeným ťažiskom. Valec nám svojím pohybom ukazuje, ktorým smerom je naklonená rovina uložená a ktorý smer je pre nás smer dolu. Ak sme správne nastavili rozchod koľajníc a sklon stien kužeľa, bude kužeľ paradoxne smerovať po naklonenej rovine nahor. No napriek jeho zdanlivému pohybu hore si musíme uvedomiť, čo sa deje s jeho ťažiskom.
Pri pohybe klasického valca po naklonenej rovine jeho ťažisko klesá. To znamená, že sa pohybuje v smere pôsobenia súčtu tiažovej sily a sily odporu podložky, teda dolu po naklonenej rovine. Pri dvojkuželi budeme pozorovať to isté, len v opačnom smere. Sklon stien kužeľa a rozchod koľajníc nám zabezpečia, že aj keď sa dvojkužeľ pohne nahor, jeho ťažisko vo výsledku poklesne. Takže aj dvojkužeľ sa pohybuje dolu, len jeho smer nadol je preňho opačný ako pre pohyb valca.
Náhrada pomôcok
Vyrobiť kužeľ z tvrdého papiera, aby sa zachovali jeho rovné steny a nedošlo k nerovnostiam, môže byť náročné. Preto možno použiť na výrobu dvojkužeľa polystyrénové kužele, ktoré jednoducho zlepíme podstavami dokopy. Kužele, ktoré sme mali k dispozícii my, však mali malý sklon, preto bol na pozorovanie daného javu potrebný veľký uhol rozchodu koľajníc. Takisto potrebujeme koľajnice výrazne dlhšie, ako sú 30 cm pravítka. My sme použili závitové tyče, ale dobre poslúžia aj lyžiarske palice. Rolku z toaletného papiera sme nahradili rolkou z plagátu.
Tak ako už pri posledných pár pokusoch aj tentoraz sme pripravili alternatívu z 3D tlačiarne, pričom sme všetky parametre nastavili za vás.
PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.
