Τοπίο στη Φυσική

Παράθυρο στην Επιστήμη

Καθορίζοντας το Κέντρο Βάρους: Ο χορός της κάθετης δύναμης και της Τριβής

  • The Physics Teacher Magazine
  • By Nuri Balta *Middle East Technical University, Ankara, Turkey

Η διδασκαλία εννοιών της Φυσικής με βασικά υλικά,που βρίσκονται γύρω μας, είναι μια από τις ομορφιές της Φυσικής. Χωρίς ακριβά εργαστηριακά υλικά και χρονοβόρα  πειράματα, πολλές έννοιες της φυσικής μπορούν να διδαχθούν στους μαθητές με τη χρήση απλών εργαλείων. Επιδείξεις με τέτοιου είδους εργαλεία μπορούν να παρουσιάζονται ως αναπάντεχα γεγονότα που εκπλήσσουν, εντυπωσιάζουν ή προβληματίζουν τους μαθητές. Ο Greenslade έχει περιγράψει άριστα 14 πράγματα που μπορούμε να κάνουμε με μία ράβδο, ένα εκ των οποίων είναι το «ράβδος σε δύο δάχτυλα.» Σε αυτή την εργασία περιγράφω μερικές παραλλαγές της επίδειξης της  «ράβδου σε δύο δάχτυλα» .
Μια ράβδος πάνω σε δύο δάχτυλα 

Κρατήστε μία ομογενή ράβδο ή μεταλλικό σωλήνα σε οριζόντια θέση μεταξύ των δύο τεντωμένων δεικτών σας έτσι ώστε οι παλάμες να είναι η μία απέναντι της άλλης, όπως φαίνεται στην Εικ. 1 (α).  Ρωτήστε τους μαθητές πού θα συναντηθούν τα δάχτυλα, αν πλησιάσει το ένα με το άλλο. Οι περισσότεροι μαθητές προβλέπουν ότι θα συναντηθούν στο κέντρο της ράβδου.

cm1

Εικ. 1(α). Τα δάκτυλα ισαπέχουν από τις δύο άκρες της ράβδου
Εικ. 1(β). Τα δάκτυλα σε άνισες αποστάσεις από τα άκρα.

Τώρα, μετακινήστε τα δάχτυλά σας κάτω από τη ράβδο και επιβεβαιώσετε ότι οι μαθητές σας έχουν δίκιο. Τα δάχτυλα θα γλιστρήσουν και θα προχωρήσουν κατά μήκος της ράβδου και έρχονται μαζί στο κέντρο της μάζας. Συνήθως ρωτώ : «Εκπλήσσεται κανείς για ό, τι συνέβη;» Η γενική απάντηση είναι όχι. Τότε λέω, «Είναι καιρός για έκπληξη», και μπορώ να τοποθετήσω τους δείκτες μου, έτσι ώστε το ένα άκρο της ράβδου να προεξέχει περισσότερο από ό, τι το άλλο άκρο, όπως φαίνεται στην Εικ. 1 (β). Η επόμενη ερώτηση είναι: «Αν φέρω αργά τα δάχτυλά μου μαζί, θα μπορούν και πάλι να συναντηθούν στο κέντρο της ράβδου;» Οι περισσότεροι, αν όχι όλοι, από τους μαθητές λένε όχι, λανθασμένα. Τότε προχωρώ στην επίδειξη και τα δάχτυλά μου συναντώνται στο κέντρο της ράβδου. Πολλοί παρατηρητές δεν εγκαταλείπουν και ισχυρίζονται ότι τα χέρια μου κινούνται σκόπιμα, έτσι ώστε να καταλήγουν στο κέντρο. Γι ‘αυτό αφήνω έναν εθελοντή να επαναλάβει την επίδειξη και αυτός / αυτή συνήθως τελειώνει με ένα χαμόγελο! Πολλοί άλλοι μαθητές επίσης δοκιμάζουν και όλοι χαίρονται μ’ αυτό Αρχίζουν ακόμη να το κάνουν με το μολύβι ή το στυλό τους.

Επίδειξη με ένα λαδωμένο δάχτυλο
 
Τώρα, βουτήξτε στο λάδι το ένα από τα δάχτυλά σας και ρωτήστε τους μαθητές τι θα αλλάξει εάν επαναλάβετε την παραπάνω διαδικασία. Λόγω του ότι το λάδι μειώνει την τριβή, είναι δύσκολο για τους μαθητές να προβλέψουν ότι τα χέρια θα συναντηθούν και πάλι στο κέντρο. Συνήθως ισχυρίζονται ότι το λαδωμένο δάκτυλο θα κινηθεί περισσότερο από το άλλο. Ιδιαίτερα εκπλήσσονται όταν δουν κατα την παρουσίαση ότι το λαδωμένο δάχτυλο τοποθετείται αρχικά στο κέντρο. Είναι διδακτικό να επαναλαβετε την επίδειξη χρησιμοποιώντας ένα μολύβι και μια ξύλινη ράβδο, αντί τα δάκτυλα, για να δείξετε ότι η επίδειξη λειτουργεί όταν οι συντελεστές τριβής των στηριγμάτων είναι διαφορετικοί. Αξίζει επίσης να κάνει κανείς την επίδειξη τοποθετώντας τη ράβδο σε ένα δάχτυλο και ένα μολύβι. 
 
Επίδειξη με το ένα άκρο της ράβδου φορτωμένο 
 

Στη συνέχεια, αλλάζουμε τις συνθήκες φορτώνοντας τη ράβδο σε κάποιο σημείο. Ανάλογα με τη μάζα της ράβδου, κρεμάστε ένα κατάλληλο αντικείμενο στο ένα άκρο της, ​​όπως φαίνεται στην Εικ. 2, και να εκτελέστε και πάλι τις παραπάνω  παρουσιάσεις. Οι μαθητές είναι τώρα βέβαιο ότι θα μαντέψουν ότι, ανεξάρτητα από την αρχική θέση των χεριών, τα δάχτυλα θα συναντηθούν στο κέντρο βάρους του συστήματος. Είναι διδακτικό να κρεμάστε τη ράβδο ή να τη στηρίξετε από κάτω, στο σημείο όπου τα δάχτυλα θα συναντηθούν για να δείξετε ότι δεν υπάρχει καθαρή ροπή που δρα στο σύστημα.

cm2

Εικ. 2. Το ένα άκρο φορτωμένο

Κατόπιν πάρτε ένα κοντάρι ή μία ράβδο ακανόνιστου σχήματος και βρέστε το κέντρο  βάρους με την ίδια μέθοδο.  Μπορείτε εύκολα να κρατήσετε ψηλά το κοντάρι με μόνο ένα δάχτυλο όσο μπορείτε να αντέξετε όλο το βάρος του κονταριού. Αυτό μπορεί επίσης να γίνει με ένα ρόπαλο ή μια σκούπα.

 
Επίδειξη με κεκλιμένη τη ράβδο
 

Οι ανωτέρω ασκήσεις έγιναν με τη ράβδο οριζόντια. Τώρα, ας δοκιμάσουμε κάτι λίγο διαφορετικό – διερευνήστε την κατάσταση όπου η ράβδος έχει κλίση, με το ένα άκρο της να είναι ψηλότερα από ό, τι από το άλλο (Εικ. 3). Δυστυχώς, αν και οι μαθητές έχουν κατανοήσει τι έχει συμβεί προηγουμένως, αυτή την φορά και πάλι μπερδεύονται και πιστεύουν ότι τα δάχτυλα δεν θα έρχονται σε επαφή στο κέντρο βάρους.

cm3

Εικ. 3 . Το αριστερό δάκτυλο λίγο ψηλότερα από το δεξί

Επίδειξη όταν το ένα στήριγμα είναι σταθερό

 

Μέχρι τώρα, έχουμε βρει το κέντρο βάρους όταν και τα στηρίγματα κινούνται, αλλά και η ράβδος παραμένει σταθερή. Στη συνέχεια, στερεώστε ένα από τα στηρίγματα, όπως φαίνεται στην Εικ. 4, και κινείστε μόνο το ένα δάχτυλο. Όταν πραγματοποιείτε αυτή την επίδειξη, μερικές φορές θα κινηθεί μόνο το χέρι σας και μερικές φορές η ράβδος θα κινηθεί μαζί με το χέρι σας.

cm4

Εικ. 4. Το ένα στήριγμα σταθερό

Ένα πιάτο για τρία δάχτυλα 
 

Πάρτε μια μεγάλη πιατέλα ή άλλη επίπεδη πλάκα με αντικείμενα πάνω σ’ αυτή, ίσως ακόμη και ένα ποτήρι νερό (Εικ. 5), και χρησιμοποιήστε τρία δάχτυλα ανοιχτά για να τη στηρίξετε. Σιγά-σιγά μαζέψτε τα δάχτυλα φροντίζοντας τα δάχτυλά σας να είναι ξηρά. Στηρίξτε το σημείο όπου τα δάχτυλά σας να συναντηθούν με ένα μόνο δάχτυλο για να δείξετε το κέντρο της μάζας του τρισδιάστατου συστήματος. Εάν χρησιμοποιείτε μια ξύλινη πλάκα, μπορείτε να καρφώσετε ένα καρφί στο κέντρο βάρους και κρεμάστε όλο το βάρος από αυτό το σημείο για να δείξετε που βρίσκεται το κέντρο μάζας ενός τρισδιάστατου συστήματος.

cm5

Εικ. 5. Ενα ξύλινο πιάτο πιάνω σε τρία δάκτυλα

Ταλάντωση της ράβδου σε δύο περιστρεφόμενους άξονες 
 

Αυτή η περίπτωση μπορεί είτε να σχεδιαστεί είτε να συζητηθεί με τους μαθητές. Πάρτε δύο μικρούς κινητήρες με παράλληλους άξονες τον ένα διπλός στον άλλον (Εικ. 6). Τοποθετήστε μια μικρή σανίδα πάνω στους δύο άξονες με τα άκρα της να ισαπέχουν από τους άξονες. Οι κινητήρες περιστρέφουν τώρα τους άξονές τους σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το ερώτημα για τους παρατηρητές είναι: «Τι θα συμβεί με την σανίδα;» Δεν είναι δύσκολο για τους μαθητές να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι θα παραμείνει σε ισορροπία. Ωστόσο, επαναλάβετε το πείραμα με την τοποθέτηση της σανίδας έτσι ώστε τα άκρα της να είναι σε άνισες αποστάσεις από τους άξονες και ζητήστε και πάλι τη γνώμη των μαθητών. Αν έχετε ταλαντούχους μαθητές θα είστε τυχεροί να ακούσετε την απάντηση: η σανίδα θα ταλαντώνεται.

cm6

Εικ. 6. Ταλάντωση μιας ράβδου πιάνω σε περιστρεφόμενους άξονες(κάτοψη)

Συμπέρασμα: Οι παραπάνω επιδείξεις με απλά υλικά (συνήθως μόνο με μία ράβδο) απεικονίζουν πολλές έννοιες της Φυσικής, όπως το κέντρο βάρους, η ροπή, η δύναμη τριβής και η κάθετη δύναμη.
 
* Ο Nuri Balta είναι καθηγητής Φυσικής και επικεφαλής του τμήματος Φυσικής στο ιδιωτικό κολέγιο SAMANYOLU Cemal Sasmaz στην Άγκυρα της Τουρκίας. Έχει διδάξει μαθήματα Φυσικής λυκείου στο Καζακστάν (7 έτη) και το Ουζμπεκιστάν (ένα έτος). Ως ένας έμπειρος καθηγητής (επί 18 χρόνια) επιμορφώνει στη Φυσική εκπαιδευτικούς σε αποτελεσματικές μεθόδους διδασκαλίας και ο ίδιος προετοιμάζει ταλαντούχους μαθητές για τις διεθνείς Ολυμπιάδες Φυσικής. Επιπλέον, είναι διδακτορικός φοιτητής στη διδασκαλία της Φυσικής στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Μέσης Ανατολής στην Άγκυρα.
        Γιάννης Γαϊσίδης
084d8930-f294-45d0-b352-2acd918a7bd2
(22 επισκέψεις, 1 επισκέψεις σήμερα)
Μοιράσου το...
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Τοπίο στη Φυσική © 2014 Frontier Theme