Luokkahuone muuttuu curling-halliksi!? Koe ‘nollakitkan’ fysiikka kuivajään avulla (Inertiaan laki)

Kenkichi Kuwako, tiedekouluttaja. Jokainen päivä on koe.

Miten esineet liikkuisivat, jos kitka katoaisi maailmasta?

Oppikirjassa puhutaan ”Hitauden laista” (inertia): Esine jatkaa liikkumistaan suoraan samalla nopeudella loputtomiin, ellei siihen vaikuta ulkoinen voima. Tämän lain todentaminen käytännössä on kuitenkin yllättävän hankalaa. Syynä on ”kitkavoima” – tämä jatkuva kiusankappale maapallolla.

Koulutunneilla käytetään yleensä erityisiä liukualustoja, mutta oppilaista tämä tuntuu helposti vain ”laboratorion erikoisjutulta”. Lisäksi kaikkien ryhmien varustaminen kalliilla laitteilla on budjetin kannalta tiukkaa.

Siksi suosittelenkin tätä: koe ”kuivajään” kanssa! Se sama kuivajää, jota saa ruokakaupoista tai kakkukaupoista, voi muuttua taianomaiseksi välineeksi, joka mullistaa fysiikan peruskäsitykset.

Miksi kuivajää muuttuu ”ilmatyynyalukseksi” (hovercraftiksi)

Kuivajää on hiilidioksidia, joka on jäähdytetty kiinteäksi. Kun se tuodaan huoneenlämpöön, tapahtuu ilmiö nimeltä ”sublimaatio”, jossa se muuttuu suoraan kaasuksi ohittaen nestemäisen olomuodon.

Mitä tapahtuu kuivajään ja pöydän välissä tämän tapahtuessa? Kuivajään pohjasta voimakkaasti purkautuva hiilidioksidikaasu muodostaa ohuen kaasuurikerroksen sen ja pöydän väliin. Toisin sanoen, kuivajää kelluu hieman omasta kaasustaan johtuen. Tämä on täsmälleen sama periaate kuin ilmatyynyaluksessa (hovercraft), joka nousee ja etenee ilman voimalla.

Koska kuivajää on ilmassa, kitkavoima pöytää vastaan pienenee äärimmilleen. Se, miten se liukuu sulavasti eteenpäin, ikään kuin painottomassa tilassa, kun sitä tönäisee kevyesti sormella, on todella vaikuttavaa. Kokeillaan tänään opetella tasaisen suoraviivaisen liikkeen periaatetta hauskalla tavalla tämän ilmiön avulla.

Tieteen resepti

Tarvikkeet: Noin 1 kg kuivajäätä, yksi iPad per ryhmä.

※ Kuivajäätä varten kannattaa selvittää lähin jäämyyjä tms. Minua palvelee Asahi Hyougyou. http://www.icenet.or.jp/asahi/

Kyseessä on perinteinen jäämyyjä, josta voi ostaa kuivajäätä alkaen 1 kg, hintaan noin 500 jeniä. Nykyään se on kätevästi ostettavissa myös Amazonista.

【Opettajan muistiinpanot】 Vaikka kuivajäätä säilytettäisiin pakastimessa, se sublimoituu ja katoaa noin kahdessa päivässä. Siksi kannattaa tilata se toimitettavaksi päivänä, jolloin on mahdollisimman monta tuntia.

Kokeellinen menetelmä: Koe kitkattomuus

① Murskaa kuivajää noin 5 cm:n kuutioiksi ja jaa ne ryhmille (murskaa vasaralla tms.). Muodon ei tarvitse olla tarkka.

② Kokeile liu’uttaa sitä tasaisella pöydällä. 【Salainen vinkki】Jos mahdollista, kokeile suihkuttaa etyylialkoholia kuivajään pohjaan ja kostuttaa se ensin, jolloin liuku on vieläkin sulavampi. Tämä johtuu siitä, että alkoholi ei jäädy helposti, ja se muodostaa tasaisen kalvon.

Viuuh!

Viuuuh-suihk!

Katso ehdottomasti video nähdäksesi, miltä todellinen liike näyttää. Se liukuu ilahduttavan sulavasti.

③ Hyödynnä myös nykyaikaista tiedetekniikkaa. Ota kuva iPadilla stop motion -sovelluksella tai vastaavalla.

Seuraavat kuvat ovat oppilaiden ottamia. Koska esine on kuvattu tasaisin välein, on heti selvää, että ”nopeus ei muutu (tasainen nopeus)” ja että se ”etenee suoraan (suoraviivainen liike)”.

Kokeile samalla myös kuivajääcurlingia!

Kun olet oppinut, etsi tiedettä leikin keskeltä. Olisi sääli lopettaa kokeiluun, kun kuivajää on kerran hankittu, eikö totta? Muutetaan luokkahuone curling-radaksi!

Tarvikkeet: Kuivajäätä, teippiä, vasara, työkäsineet.

Ohjeet:

① Teippaa pöytään maali. Tämä toimii ”pesän” (ympyrän) sijasta.

Tehdään myös lähtöviiva.

② Murskaa kuivajää sopivan kokoisiksi palasiksi vasaralla.

【Turvallisuusohje】 Muista käyttää työkäsineitä tässä vaiheessa. Kuivajää on erittäin kylmää, miinus 79 astetta, ja sen koskettaminen paljain käsin voi aiheuttaa paleltumia. Aikuisen on aina oltava mukana, jos kokeen tekee lasten kanssa.

③ Laita työkäsineet käteen ja liu’uta kuivajäätä lähtöviivalta. Keskimmäiseen kehykseen (punaisen teipin sisällä) osumisesta saa 100 pistettä, ja ympäröivään kehykseen osumisesta 50 pistettä. Liuta viisi kertaa ja laske kokonaispistemäärä.

Pystyt varmasti tuntemaan nahan alla ”hitauden” ja ”pienen kitkan” välisen taistelun, joka riippuu vain siitä, miten paljon voimaa käytät.

Yhteydenotto ja toimeksiannot

Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi! Olen koonnut helposti ymmärrettäviä ohjeita hauskoihin tiedekokeisiin, jotka voi tehdä kotona, sekä vinkkejä niiden toteuttamiseen. Kokeile etsiä lisää!

・Tieteen muistikirjan sisältö on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä ・Tietoja ylläpitäjästä, Kenkichi Kuwakosta, täältä ・Erilaiset toimeksiannot (kirjoitukset, luennot, kokeelliset luokat, TV-konsultointi/esiintymiset jne.) täältä ・Artikkelipäivitykset lähetetään X:ssä!

Tieteen muistiinpanot -kanava julkaisee kokeellisia videoita!