Paljasta salaisuus kuuleilla! Miten nopeus ja massa synnyttävät energiaa — Opas liike-energian ja työn kokeisiin
Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Joka päivä on koe!
Keilapallon voima, joka kaataa keilat kumoon. Tai se ”PAM!” -isku, kun syöttäjän pallo lävistää kiinniottajan räpylän. Näiden voimakkaiden ilmiöiden taakse kätkeytyy itse asiassa tiedon kiinnostava salaisuus. Se on hetki, jolloin esineen sisältämä ”energia” muuttaa muotoaan ”työksi”.
Tällä kertaa lähdetään paljastamaan energian todellista olemusta yksinkertaisella kokeella, jossa käytetään helposti saatavilla olevia välineitä! Lähdetäänkö yhdessä selvittämään, kuinka paljon ”työtä” liikkuva esine pystyy tekemään – mitä voimaa se pitääkään sisällään?
Seikkailu energian olemuksen jäljillä!
Sana ”energia” saattaa kuulostaa hieman monimutkaiselta. Mutta fysiikan maailmassa sen määritelmä on hyvin yksinkertainen: ”Energia on esineen kykyä tehdä työtä.” Tässä kokeessa tarkkailemme, kuinka paljon vierivän pallon ”liike-energia” saa liikkeelle AA-pariston (eli kuinka paljon ”työtä” se tekee).
Pääosissa ovat kiskolla vierivä pallo, sen eteen asetettu AA-paristo sekä salainen aseemme pallon nopeuden mittaamiseen: ”Bee-Spi” -nopeusmittari.
Tämä ”Bee-Spi” on mainio laite, joka mittaa ohikulkevan esineen nopeuden silmänräpäyksessä. Se onkin yksi niistä esineistä, jotka jokaisen tiedeharrastajan kannattaa hankkia, sillä se on hyödyllinen monissa kokeissa!
ビースピv
Valmistelimme tarkoituksella erilaisia palloja, joilla on eri massat – lasikuulia, teräskuulia, messinkikuulia – ja annoimme oppilaiden valita niistä suosikkinsa. Kokeen tehtävänä on vierittää pallo, törmäyttää se paristoon ja kirjata ylös ”pallon nopeus” ja ”pariston liikkumismatka”. Mitä tuloksia mahtaa olla luvassa?
Kun käytät isompia lasikuulia, aseta ne tällaiseen korokkeeseen, jotta osumapiste on helpompi kohdistaa.
Pallon massaa mitatessa on kätevää käyttää kuppia, jotta pallo ei pääse karkaamaan.
電子天秤とカップ
Kokeessa saatu raakadata on julkaistu täällä. Käytä sitä vapaasti omiin analyyseihisi!
運動エネルギーと仕事の実験データ（エクセル）
Paljasta kaavioon kätketty salaisuus! – Nopeuden ja työn suhde
Kokeessa kerättyä dataa ei kannata jättää vain tuijotettavaksi! Tieteellinen tutkimus alkaa tästä. Piirretään nyt kaavio, jossa pystyakselilla on ”Pariston liikkumismatka (työn suuruus)” ja vaaka-akselilla ”Pallon nopeus”.
Tässä on oppilaiden keräämää aitoa dataa. Heidän yrityksensä välittyy hyvin!
生徒のグラフ作成例
Kun datan pisteet piirretään, eikö näykin kaunis paraabelin muotoinen käyrä?
Tämä käyrä saattaa vaikuttaa ensisilmäyksellä monimutkaiselta, mutta sen todellinen luonne paljastuu, kun käytämme yhtä ”taikaa”. Se taika on muuttaa vaaka-akselin ”nopeus” arvoon ”nopeus toiseen potenssiin (nopeus x nopeus)”!
Mitä sanot tästä! Edellinen käyrä on kuin pyyhitty pois, ja tilalla on kaunis suora viiva! Tämä osoittaa, että pariston liikkumismatka (työ) on verrannollinen pallon nopeuden neliöön. Toisin sanoen, kun nopeus kaksinkertaistuu, työ nelinkertaistuu, ja kun nopeus kolminkertaistuu, työ yhdeksänkertaistuu! Hämmästyttävää! Tästä näkee, kuinka valtava voima nopeudella on.
Onko paino myös voiman lähde? – Massan ja työn suhde
Nopeuden salaisuus on ratkaistu. Mutta entä pallon ”massa (paino)”? Kevyellä lasikuulalla ja raskaalla teräskuulalla täytyy olla erilainen kyky liikuttaa paristoa samalla nopeudella. Käytetään edellisen kaavion dataa ja piirretään uusi kaavio poimimalla esiin pariston liikkumismatka pallon massan mukaan, kun pallon nopeus on esimerkiksi ”2 m/s”.
Nyt näemme siistin suoran suhteen! Tämä tarkoittaa, että työn suuruus on suoraan verrannollinen esineen massaan. Hetki, jolloin intuitiomme – raskaammat pallot ovat tehokkaampia – saa täydellisen tieteellisen vahvistuksen.
Koe paljasti energian todellisen olemuksen!
Nyt yhdistetään kaksi tekemäämme löytöä!
• Työ on verrannollinen esineen ”nopeuden neliöön”.
• Työ on verrannollinen esineen ”massaan”.
Näiden kahden perusteella voidaan johtaa fysiikan erittäin tärkeä laki: ”Esineen liike-energia on verrannollinen sen massaan ja nopeuden neliöön.” Tämä on kuuluisa liike-energian kaavan ydin!
Jos mietit, ”Hei, mistä se 1/2 tuli?”, olet tarkkanäköinen! Tämä kerroin ”1/2” johdetaan itse asiassa edistyneemmillä laskelmilla. Kokeessa syntyy erilaisia energiahäviöitä, kuten kitkaa, ilmanvastusta sekä energian muuntumista ääneksi ja lämmöksi törmäyksessä, joten tulos ei ole täsmälleen kaavan mukainen. Mutta tämän kokeen kautta saimme konkreettisen tuntuman perusperiaatteesta, jonka mukaan energia määräytyy ”massan” ja ”nopeuden neliön” perusteella.
Sen sijaan, että vain muistaisimme kaavoja pöydän ääressä, löysimme luonnonlait itse kättä käyttäen. Juuri tässä piilee tieteen todellinen riemu!
Alla on näkymiä oppilaiden muista tekemistä kokeista. Tällä kertaa he tutkivat ”potentiaalienergian” ja työn suhdetta muuttamalla pallon vierityskorkeutta. Myös tässä tehtiin paljon mielenkiintoisia löytöjä!
Lue myös:
Kyselyt ja yhteistyöpyynnöt
Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi! Olen koonnut helposti ymmärrettäviä vinkkejä hauskoista tiedekokeista, jotka voi tehdä kotona. Etsi lisätietoja!
・Tietoa ylläpitäjästä, Ken Kuwakosta, löydät täältä
・Erilaiset yhteistyöpyynnöt (kirjoittaminen, luennot, tiedekerhot, TV-konsultointi, esiintymiset jne.) täältä
・Artikkelipäivitykset X:ssä!
科学のネタチャンネルssä julkaistaan kokeiluvideoita!
