Oddelek za fiziko
IZDELAVA IN UPORABA AVTOMOBILKA IN
RAKETE ZA PROMOCIJO FIZIKE NA OSNOVNI
OLI
Peter Brglez
V seminarju predstavim izdelavo in uporabo fizikalnih igra za popularizacijo fizike. Podam smernice za izdelavo avtomobilka in rakete iz plastenk. Opiem tudi svojo izkunjo pri delu z uenci na osnovni oli.
Mentor: mag. Robert Repnik
Maribor, 2012
Vsebina
1 UVOD ............................................................................................................................................. 2
2 REAKTIVNI IN RAKETNI POGON ......................................................................................... 3
2.1 Tlak......................................................................................................................................... 3
2.2 Tretji Newtonov zakon ......................................................................................................... 4
2.3 Drugi Newtonov zakon ......................................................................................................... 6
3 IZDELAVA IN UPORABA AVTOMOBILKA IN RAKETE ............................................... 7
3.1 Avtomobilek na zrani pogon ............................................................................................. 7
3.2 Raketa na vodni pogon ......................................................................................................... 8
3.3 Uporaba ................................................................................................................................. 8
4 DELO NA OLI ............................................................................................................................ 9
5 ZAKLJUEK .............................................................................................................................. 10
LITERATURA IN VIRI ..................................................................................................................... 10
2
1 UVOD
V osnovni oli imajo uenci fiziko kot uni predmet v osmem in devetem razredu. Prvi pa se z njo ne sreajo ele v osmem razredu. Fizikalne vsebine so vkljuene v une narte od prvega razreda dalje. V prvem triletju se pojavljajo pri predmetu spoznavanje okolja, v etrtem in petem razredu pri predmetu naravoslovje in tehnika, v estem in sedmem pa so pri predmetu naravoslovje vsebine razdeljene na fizikalni, kemijski in bioloki del. Poleg vsebin, ki so doloene v splonem unem nartu, lahko uencem ponudimo tudi dodatne vsebine iz fizike. Fizikalne vsebine lahko sreajo pri naslednjih izbirnih predmetih: projekti iz fizike in tehnike, robotika z elektroniko, daljnogledi in planeti, zvezde in vesolje, Sonce, Luna in Zemlja, projekti iz fizike in ekologije. Na nas uiteljih je, da jim fizikalne vsebine na prijeten nain im bolj pribliamo. Dodatno monost za to imamo tudi pri podaljanem bivanju in varstvu vozaev, kjer lahko bolj svobodno oblikujemo program in med prostoasne aktivnosti dodamo igre, s katerimi populariziramo fiziko.
Ena od monosti popularizacije fizike je izdelava in uporaba fizikalnih igra. Menim, da lahko isto igrao uporabljamo pri uencih na vseh stopnjah, le da prilagodimo razlago njihovi stopnji razumevanja. Predvsem pri mlajih otrocih moramo paziti, da jim poleg zabavnega dela podamo tudi fizikalno ozadje, ki je njihovi razvojni stopnji primerno. Sam sem skupaj z uenci tretjega razreda v oddelku podaljanega bivanja izdeloval raketo, ki za pogon uporablja vodo in stisnjen zrak (slika 1a) in avtomobilek na zrani pogon (slika 1b). Predstavil pa sem ju tudi v prvih razredih pri podaljanem bivanju in v osmih razredih pri pouku fizike.
a) b)
Slika 1. Fizikalne igrae iz plastenk. a) Raketa na vodni pogon; b) avtomobilek na zrani pogon. V nadaljevanju seminarja bom v 2. poglavju predstavil raketni in reakcijski pogon in predstavil temeljne fizikalne zakonitosti pri delovanju avtomobilka in rakete. Nato bom v 3. poglavju podal navodila za izdelavo prej omenjenih fizikalnih igra. V 4. poglavju bom opisal e svojo izkunjo z izdelavo in uporabo avtomobilka in rakete.
3
2 REAKTIVNI IN RAKETNI POGON
Reaktivni in raketni pogon sta si po fizikalnem principu delovanja zelo podobna. Raketa in reaktivno letalo na zadnjem delu potiskata plin z veliko hitrostjo. Tretji Newtonov zakon pravi, da e vozilo potiska plin z neko silo, tudi plin potiska vozilo z enako veliko silo v nasprotni smeri. Veji kot je pretok potisnega plina, veja bo sila na vozilo. Bistvena razlika med reaktivnim in raketnim motorjem je ta, da reaktivni motorji zajemajo kisik za izgorevanje goriva iz zraka med letom, medtem ko mora imeti raketa kisik za izgorevanje goriva s sabo, da lahko leti tudi v brezzranem prostoru.
Pri delovanju rakete na vodo in avtomobila na zrak lahko osnovnoolcem predstavimo predvsem fizikalne zakonitosti, kot so tlak in Newtonovi zakoni.
2.1 Tlak
Kadar opazujemo delovanje sil na neko podlago, vpeljemo fizikalno koliino, ki se imenuje tlak. Tlak (p) je kolinik med pravokotno silo (F) na podlago in ploskvijo (S), ki jo opazujemo [1]:
S
Fp =
.
Osnovna enota je N/m2 ali Pa. Ker je osnovna enota relativno majhna, se vekrat uporabljajo enote, kot so kPa in MPa. Velikokrat uporabljena enota v Evropi pa so tudi bari. 1 bar je 105 Pa.
Pri trdninah se sile v materialu praviloma prenaajo v smeri delovanja sile, pri idealnih tekoinah pa se sile zaradi tekoine v zaprti posodi porazdelijo v vse smeri enakomerno in so vedno pravokotne na stene posode.
Zaradi zraka, ki jo obdaja, lahko pri raketi iz plastenke opazujemo sile na steno plastenke. Najprej je v raketi zrak pri normalnem zranem tlaku. Sile na steno plastenke so sicer obutne, a se med sabo izniijo in na delovanje rakete ne vplivajo. Ko v plastenko natoimo vodo, se povea tlak na steno rakete tam, kjer je voda. Te sile se z globino vode veajo, a so v primerjavi s silami zaradi zraka, ki jo obdaja, zelo majhne. Ko v raketo s tlailko dodamo e nekaj zraka, pa tlak v njej e dodatno naraste. Sile, ki se zaradi stisnjenega zraka pojavijo na steno plastenke, so najveje in za delovanje rakete tudi najpomembneje Kjer je luknjica, je sila vode, ki potiska ventilek iz plastenke, veliko veja, kot sila okolikega zraka, ki potiska ventilek v plastenko. Da ventilek ne pade iz plastenke prehitro, mu pomaga tudi sila lepenja (Fl) (slika 2). Ko je sila potiskanja ventilka iz plastenke veja od sile potiskanja ventilka v plastenko in sile lepenja, potisne ventilek iz plastenke in voda zane brizgati iz plastenke. Zaradi tega zane raketa pospeevati. Na tem primeru lahko predstavimo drugi in tretji Newtonov zakon.
Fizikalno ozadje je pri avtomobilu zelo podobno, razlika je le v tem, da predstavlja gorivo samo zrak.
4
Slika 2. Sile na ventilek pred vzletom rakete. je sila lepenja, je sila okolikega zraka na
ventilek, je sila, s katero voda in notranji zrak pritiskata na ventilek. je povrina
ventilka, je zunanji zrani tlak, pa zrani tlak v notranjosti plastenke, je gostota
vode, pa njena viina.
2.2 Tretji Newtonov zakon
Kadarkoli deluje eno telo na drugo z neko silo, tudi drugo telo deluje na prvo s silo, ki je enako velika, a nasprotno usmerjena [2]. V vsakdanjiku je veliko primerov, ki dokazujejo ta zakon. Predstavljajmo si npr. dva rolkarja. e eden odrine drugega, tudi drugi odrine prvega (slika 3). Poskus lahko opravimo tudi z dvema silomeroma. e vleemo z neko silo drugi silomer, le-ta z nasprotno enako silo vlee prvega.
Pri raketi je ve parov sil, ki delujejo medsebojno. Najzanimiveji pa je par sila rakete na
vodo RVFv
in sila vode na raketo VRFv
(slika 4). Enako velja tudi za avto, le da tega potiska
zrak in ne voda.
5
Slika 3. Predstavitev medsebojnih sil med dvema rolkarjema [3]. je sila, s katero desni
rolkar (M) potiska levega (), pa sila, s katero levi rolkar potiska desnega.
Slika 4. Raketa (zrak v raketi) potiska vodo s silo RVFv
iz rakete. Z enako veliko, a nasprotno
usmerjeno silo VRFv
, potiska voda raketo.
6
2.3 Drugi Newtonov zakon
Pospeek telesa ( av
) je enak koliniku med silo oziroma rezultanto sil ( Fv
), ki delujejo na
telo, in maso ( m ) telesa [4]. Z enabo ga zapiemo:
m
Fa
=
v
v
To pomeni, da e elimo imeti velik pospeek telesa, moramo poveati rezultanto sil, ki delujejo na telo, ali zmanjati maso telesu.
V takni obliki pa velja drugi Newtonov zakon le za sisteme s konstantno maso. Raketi in avtomobilku se masa spreminja, enabo pa lahko vseeno uporabimo za razmislek, kaj se z vozilom dogaja v doloenem trenutku.
Raketa vzleti, ker vsota vseh sil, ki delujejo nanjo, kae v smeri navzgor. Na zaetku poleta je pospeek edalje veji, ker je sila potiskanja skoraj konstantna, masa rakete pa pada. Kmalu po vzletu, ko iz rakete izteeta vsa voda in stisnjen zrak, pa delujeta nanjo le e gravitacijska sila in sila zranega upora. Zato se zane raketi zmanjevati hitrost, dokler se ne ustavi in prine padati. Na sliki 5a so prikazane sile na raketo v fazi dvigovanja, ko iz rakete izhaja voda, na sliki 5b pa so prikazane sile, ko v raketi ni ve vode in stisnjenega zraka. Sile zranega upora nismo risali. Pri dvigovanju kae v smeri navpino navzdol, pri padanju pa v smeri navpino navzgor, torej vedno v nasprotni smeri gibanja rakete.
a) b)
Slika 5. Sile na raketo brez upotevanja zranega upora a) pri vzletu in b) ko zmanjka vode.
je tea rakete skupaj z vodo, pa je sila iztekajoe vode na raketo.
gFv
7
3 IZDELAVA IN UPORABA AVTOMOBILKA IN RAKETE
