5.19. Ütközési kísérletek

a) Rugalmatlan ütközés. Játékpisztoly-lövedék kezdősebességének mérése

A kísérlet célja

Tökéletesen rugalmatlan ütközés egy gyakorlati alkalmazásának bemutatása

Szükséges anyagok, eszközök

• tapadókorongos műanyag játékpisztoly
• ismert tömegű, sima felületű inga, hosszú zsineggel bifilárisan állványra felfüggesztve
• hurkapálca filccel megjelölve az elmozdulás méréséhez
• megfelelő magasságú támasz (fahasáb), amin a hurkapálca akadálytalanul elcsúszhat, és amelyre mm-es beosztású papír mérőszalagot ragaszthatunk
• stopper

Leírás

A tapadókorongos játékpisztoly-lövedék — ha sima felületű tárgynak ütközik — rendszerint a tárgyra tapad. Ekkor a lövedék és a tárgy ütközése tökéletesen rugalmatlan. A lövedék sebességét „ballisztikus ingával” könnyen megmérhetjük. Esetünkben ballisztikus ingaként egy bifilárisan (két szállal) felfüggesztett fahasáb szolgál. A kísérleti összeállítást az ábra mutatja.

A bifilárisan felfüggesztett inga mögé néhány cm távolságba rakjuk le a támaszt, és erre fektessük a hurkapálcát úgy, hogy az hátulról éppen érintse az ingatest középpontját. A játékpisztollyal elölről, az inga lapjára merőlegesen lőjünk, a hasáb közepét (tömegközéppontját) érdemes megcélozni. (A célzáskor a pisztolyt tartsuk pár centiméterrel távolabb az ingától, mint amilyen hosszú a tapadókorongos lövedék szára!) Jó célzás esetén a tapadókorong megtapad az ingán, és az inga hátra lendül anélkül, hogy közben billegne.

Feladatok

• Mérjük le, mennyire tolta hátra a kilendülő ingatest a hurkapálcát a támaszon! A mérést ismételjük meg háromszor, és ezek átlagával számoljunk!
• Stopperrel mérjük meg az inga 10 lengésének idejét (a rátapadt lövedékkel együtt) és határozzuk meg a lengésidőt!
• A lengésidő és a maximális kilendülés mért értékeinek felhasználásával határozzuk meg a harmonikus lengés maximális sebességét! (A csekély mértékben kilendülő inga mozgása harmonikus rezgőmozgásnak tekinthető.)
• A rugalmatlan ütközésre érvényes lendületmegmaradási törvényt felhasználva számítsuk ki a tapadókorongos lövedék sebességét az ütközés előtt!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Miért kéri a feladat, hogy a rátapadt lövedékkel együtt mérjük a lengésidőt, hiszen egy inga lengésideje elvileg független a tömegtől (lásd. 5.26)?

Módszertani kiegészítések

• Érdemes ezt a feladatot egy problémafelvetéssel kezdeni. „Milyen ötletetek van, hogy lehetne megmérni egy kilőtt lövedék (pl. ennek a játékpisztoly tapadókorongjának) sebességét?” Természetesen ez a módszer nem fog a gyerekek eszébe jutni. Valószínűsíthető, hogy a video elemzést javasolják. Ekkor érdemes azt is elvégezni/megpróbálni.
• A kísérlet még látványosabb fajtája, amikor légpuska lövedékének sebességét határozzuk meg ezzel a módszerrel. Ha légpuska lövedékkel szeretnénk kivitelezni, akkor az ingatest tömegét és az inga hosszát érdemes megnövelni, valamint az ingatestre parafa legalább 2 cm vastag parafa pogácsát rakni. Ha keményebb testre lőnénk, akkor a golyó könnyen lepattanhat, ami balesetveszélyes (ráadásul az elmélete is más).

b) Ütközési kísérlet ingás golyósorral (Newton bölcsője)

A kísérlet célja

Impulzus-megmaradás egyszerű, de mégis érzékletes bemutatása ingasorral.

Szükséges anyagok, eszközök

• ingás golyósor (Newton bölcsője)
• cellux

Leírás

Testek tökéletesen rugalmas ütközése esetén az impulzusmegmaradás tétel mellett a kinetikai energia megmaradásának tétele is érvényben van. Ennek szemléltetésére bifilárisan felfüggesztett acélgolyókból álló öttagú ingasort használunk.

Feladat

• Térítsük ki a balszélső ingát, és ütköztessük az ingasorral! Térítsünk ki együtt baloldalra két (vagy három, vagy négy) ingát és ütköztessük a többivel! Fogalmazzuk meg a tapasztalatokat!
• Celluxszal ragasszunk össze két golyót nagyon szorosan és ütköztessük a többivel. Fogalmazzuk meg és magyarázzuk a különbséget az előző kísérlethez képest!

Módszertani kiegészítések

• Diákoknak érdemes lehet feltenni azt az elgondolkoztató kérdést, hogy 2 vagy több golyó kitérítése esetén miért éppen ugyanannyi golyó lendül ki a másik oldalon, s nem kevesebb nagyobb sebességgel?

c) Impulzus-megmaradás szemléltetése kiskocsik ütközése során

A kísérlet célja

Az impulzusmegmaradás törvényének demonstrálása különböző tömegű mozgó és álló, rugókkal, ill. mágnesekkel felszerelt kiskocsik segítségével

Szükséges anyagok, eszközök

• 2 kiskocsi
• sín
• súlysorozat kiskocsikhoz (kék testek, a kocsikra helyezve rögzülnek)
• mágnesek (kis dugóval a kocsikhoz csatlakoztatható)
• laprugók (kis dugóval a kocsikhoz csatlakoztatható).

Leírás és feladatok

Két, egymást vonzó mágnessel ellátott, azonos tömegű kiskocsit helyezzünk el a sínen. Az egyiket álló helyzetben állítsuk a sín közepére, míg a másik kiskocsit lökjük neki az állónak. Figyeljük meg a jelenséget! Változtassuk a kiskocsik tömegét – további súlyok ráhelyezésével – 1:2 és 2:1 ill. 1:3 és 3:1 arányban és ismételjük meg a kísérletet. Figyeljük meg és magyarázzuk a tapasztalatokat.

Mindkét kiskocsit lássuk el laprugóval, majd egyiket helyezzük álló helyzetbe a sín közepére. A másik kiskocsit lökjük neki az állónak. Ismételjük meg a kísérletet 1:2 és 2:1 arányú tömegekkel is. Figyeljük meg és magyarázzuk a megfigyeléseket!

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Milyen egyszerű magyarázatot adhatunk arra, hogy a mágnesekkel összetapadt kiskocsik ütközése miért nem tekinthető teljesen rugalmasnak?
• Milyen megmaradási tételek vannak érvényben a tökéletesen rugalmas és rugalmatlan ütközések során?

Módszertani kiegészítések

• Az itt leírt kísérletsorozat csupán az impulzusmegmaradást szemlélteti. Egyszerű kvalitatív megállapításokat lehet leszűrni belőle. Ezek alapján az impulzusmegmaradást és tökéletesen rugalmas esetben a mechanikai energiamegmaradást be lehet vezetni. Ezt követően érdemes számítási feladatot elvégezni, majd a számítást kísérletileg ellenőrizni. Olyan esetet érdemes választani, melyben nem egyértelmű a kimenetel. Például ütköztessünk egyirányba haladó, laprugóval felszerelt kiskocsikat. A lassabb kétszeres tömegű kocsinak lökjünk neki egy sokkal gyorsabb egyszeres tömegűt. Miután kiszámoltuk az ütközés utáni sebességeket ellenőrizzük kísérlettel! Ha a számításból az jön ki, hogy a kisebb tömegű visszapattan és a kísérlet is azt mutatja, akkor az a diákok számára bizonyítja az elmélet helyességét, emellett az elmélet alkalmazása megmutatja, hogy a törvényeket nem öncélúan fogalmazzuk meg, hanem azért, hogy felhasználjuk jelenségek leírására, a kimenetel meghatározására.
• Számítógépes kiértékeléssel (fénykapu, vagy LabCamera, Tracker, stb) természetesen mérőkísérlet is kivitelezhető ebben a témában, ezáltal bizonyítva az impulzus megmaradást és tökéletesen rugalmas esetben a mechanikai energiamegmaradást. A demonstrációs labor honlapján rengeteg videóelemzésre alkalmas felvétel megtalálható.
• Az ütközés folyamatával nem szoktunk foglalkozni az ütközési kísérletek leírásakor, pedig sokszor megdöbbentő lehet a rugalmas deformáció is.

Golflabda ütközése fallal

Labda ütközése emberi arccal