Drop eggs in water.

Na internetowej stronie „Szkoła z TVP” w programie „Festiwal doświadczeń”

https://vod.tvp.pl/video/szkola-z-tvp-klasa-1-ponadpodstawowa-nowa-podstawa-programowa,fizyka-lekcja-2-19052020,47878984

pani Justyna Bartol-Baszczyńska z Zespołu Szkół w Rogoźnie zaprezentowała serię doświadczeń. Pod koniec zdalnego nauczania w czerwcu 2020 obiecałem uczniom najciekawsze doświadczenia powtórzyć. Oto mój pierwszy wybór:

Zdjęcie 1.

Zdjęcie 2.

Nauczycielka objaśniła, że jest to dowód na bezwładność ciał. Każde ciało. które ma masę, jest bezwładne, czyli stawia opór sile, która chce go poruszyć - stara się pozostać w miejscu, jeśli było nieruchome, lub poruszać się tak, jak się wcześniej ruszało.

Masa bierze odział w oddziaływaniach grawitacyjnych, ale jej głównym wyróżnikiem jest bezwładność. Kilogram jabłek waży na Ziemi 10 N. W stanie nieważkości nic nie waży (czyli nie ma ciężaru), ale masę posiada tę samą, tzn. poddaje się (daje się przyspieszać) działającym siłom w takim samym stopniu jak na Ziemi.

1. Masa to miara bezwładności.

Jak można wywnioskować ze słów nauczycielki, po zabraniu podpór jajka są przez bardzo krótki czas praktycznie nieruchome, po czym grawitacja rozpędza je w dół. Wydaje się, że długość rurek nie ma większego znaczenia. Jajka musza trafić w naczynia z wodą.

Niestety przez 5 godzin nie udało mi się eksperymentu powtórzyć. Prawda o nim jest dużo bardziej skomplikowana. Najpierw zrobiłem doświadczenia wstępne używając zamiast jajka piłeczki tenisowej:

Rys.1a

Jeśli rurkę wyszarpujemy bez obrotu działając na jej środek , jajko ulega szarpnięciu w kierunku ruchu tym większemu im szybciej staramy się to zrobić. Jest to zrozumiałe - jajko zagłębione jest nieco w rurkę, przez co ona je popycha.

Rys. 1b

Gdy siłę stosujemy na końcu, rurka przesuwa się w kierunku działania siły, ale tez obraca się powodując, że jajko dostaje prędkości w stronę przeciwną. Tu Znów im większej siły użyjemy, tym rurka mniej będzie się liczyć z jajkiem i mocniej go popchnie wstecz.

Na zdjęciu 1 z programu (patrz początek artykułu) naniosłem dwie linie poziome. Linia biała pokazuje, że kamera była nieruchoma, tło się nie ruszyło. Linia czarna pokazuje, że jajka zostały popchnięte także w górę! Musiały pokonać krawędź rurki, by się z niej uwolnić.

Dlaczego, gdy wyszarpujemy podstawkę rurka się obraca? Ponieważ każde ciało stara się obracać wokół swego środka masy. Przypomnijmy sobie widok kręcących się asteroidów w grach czy filmach-popularno naukowych.

2. Środek masy to punkt, wokół którego obraca się ciało swobodne.

Gdzie leży środek masy okrągłej obręczy? Na jej środku. Co zaskakujące w pustym miejscu.

Większość ciał, które obserwujemy wirujące na Ziemi jest osadzonych na osi. Swobodne ciała po prostu zaraz spadają i trudno przyjrzeć się ich obrotom. Prawda jest taka, że ciała swobodne, choć kręcą się wokół środka masy, zazwyczaj nie zachowują stałej osi wirowania. Zwie się to efektem Dżanibekowa (Джанибекова) , rosyjskiego kosmonauty, który jako pierwszy zauważył to dziwne zachowanie ciał w stanie nieważkości. Wcześniej zjawisko było znane nielicznym naukowcom.

Sprawa zmiennej osi nie jest bezpośrednio związana z jajkami wpadającymi do wody, bo rurka o okrągłym przekroju nie wykazuje tego efektu. Jeśli chcesz zobaczyć ten efekt, obejrzyj na Youtube króciutki film „Janibekov's effect” .

Link:

https://www.youtube.com/watch?v=1n-HMSCDYtM

Dla chcących go zrozumieć 15-minutowe wytłumaczenie efektu w jęz. angielskim na Youtube „The Bizarre Behavior of Rotating Bodies, Explained”. Wytłumaczenie na poziomie klas maturalnych fizyki rozszerzonej. Dla bardzo ambitnych.

Link:

https://www.youtube.com/watch?v=1VPfZ_XzisU

Środek masy jest jednocześnie środkiem ciężkości.

3. Środek ciężkości to taki punkt, że jeśli podeprzemy pod nim ciało, to nie przechyli się ono na żadną stronę.

Rys. 2 a Rys. 2 b

Obręcz podparta pod środkiem masy nie przechyla się, a gdy linia podparcia nie przechodzi przez ów środek, zaczyna się obracać i spada. Pchana w górę tak jak na rysunku 2a nie obraca się, pchana z boku tak jak na rysunku 2b wpada w obroty.

W przypadku rurki, rurka uderzona w środek przesuwa się , ale nie obraca się. Uderzona na końcu przesuwa się tak jak poprzednio, ale dodatkowo wpada w obroty.

Siła wyszarpnięcia powinna być jak najmniejsza, bo obracająca się rurka jakąś część tej siły przekazuje na jajko.

Jajka mają tu tendencję do padania wstecz, bo z punktu widzenia środka masy jaką szybkość uzyskuje dolny koniec do przodu , taką samą górny, ale w stronę przeciwną przy okazji popychając jajko. Dlatego dobrze jest rurkę ustawić trochę bliżej przodu, a nie na środku. Dobrze jest też uczynić rurkę jak najcieńszą, by była jak najlżejsza. Wtedy raczej ona się odepchnie od jajka niż będzie w stanie go popchnąć. Masa rurki ma znaczenie.

Na zdjęciu 2. z programu (patrz początek artykułu) jajko najbardziej na prawo uderza w krawędź dzbanka. W tym momencie film się urywa i widzimy inne ujęcie, na którym wszystkie jajka idealnie trafiają w wodę. Być może rurki nie były tym razem postawione idealnie na środku.

Doświadczenie jest zatem bardziej sztuką zręcznościową niż dowodem na bezwładność ciał. Od strony fizycznej jest mimo to bardzo ciekawe.

Wpisując w wyszukiwarkę słowa: drop egg in water, możemy na Youtube znaleźć przykłady tego doświadczenia w łatwiejszej formie. Za wykonanie doświadczenia w domu i zaprezentowanie nauczycielowi nagrania, na którym wykonawcę daje się rozpoznać, należy się ocena 6 z aktywności.

---