Kenkichi Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on koe.

Tiedekokeet Wild Mini 4WD -autojen avulla

Tiedättekö Tamiya ”Wild Mini 4WD” -autot? Tavalliset Mini 4WD:t ovat nopeita ja virtaviivaisia koneita, jotka kilpailevat nopeudesta, mutta Wild Mini 4WD:ssä on kaksi tai kolme kertaa suuremmat, rosoiset renkaat ja runko, ja se ylittää esteet kevyesti. Niillä on todellakin ”maastoajoneuvojen kuninkaan” ulkonäkö.

Kun niillä ajaa ulkona, ero tavallisiin Mini 4WD:ihin näkyy selvästi. Kun katselin tätä Wild Mini 4WD:tä, huomasin jotain. Sen suuret, kumilla päällystetyt renkaat ovat sisältä ontot ja ne muotoutuvat tarttumaan maahan, jolloin kitkavoima kasvaa. Toisin sanoen niiden pito on erittäin vahva.

”Tätä saattaisi voida käyttää kitkavoimakokeissa!”

Ostin kaksi autoa sillä ajatuksella ja kokeilin niillä kaikenlaista. Huomasin, että niillä voi tehdä erittäin mielenkiintoisia kokeita, jotka tekevät fysiikan lait näkyviksi. Tänään esittelen ”Tieteen reseptin” Wild Mini 4WD -autojen avulla.

Tieteen resepti

Tavoite:

Asetetaan kaksi Wild Mini 4WD -autoa vastakkain ja järjestetään niille ”köydenveto”. Tavoitteena on selvittää, kumpi auto voittaa, kun muutamme kitkavoimaan vaikuttavia tekijöitä: kitkakerrointa (pinnan karheus) ja normaalivoimaa (paino).

Tarvikkeet:

Wild Mini 4WD (2 kpl), lankaa (esim. leijalankaa), painoja (käy esim. mandariinit), rättejä, hiomapaperia, alusta (esim. muovilevy).

Menetelmä:

① Kokoa kaksi Wild Mini 4WD -autoa. 【Tärkeä huomio】 Järjestä tässä vaiheessa paristokoteloon johdot siten, että auto toimii yhdellä paristolla (1,5 V). Jos käytät alkuperäistä kahta paristoa (3 V), moottorin vääntömomentti (pyörimisvoima) on liian suuri, jolloin auto nousee pystyyn ja kaatuu heti köydenvedon alkaessa, eikä koe onnistu.

② Sido kahden Wild Mini 4WD:n perät yhteen leijalangalla.

③ Laita molempien autojen kytkimet päälle samanaikaisesti ja anna niiden vetää köyttä. Jos olosuhteet ovat samat, ne pysyvät tasapainossa pyörien vain tyhjää. (Itse asiassa tämäkin saa oppilaat jo huutamaan ”Vau!”)

④ Aseta tässä tilassa toisen auton alle ”rättiä”, ”hiomapaperia” tai ”alusta” (muovilevy) ja muuta pinnan olotilaa ja tarkkaile, kumpi autoista liikkuu.

⑤ Laita toisen Mini 4WD:n päälle ”paino” (esim. mandariini) ja muuta painoa ja tarkkaile, mitä tapahtuu.

Esimerkiksi, kun päälle laitetaan mandariini…

Tulokset:

Koe tuottaa intuitiivisesti mielenkiintoisia tuloksia. Liukkaalla alustalla (muovilevy) renkaat luistavat ja auto häviää, mutta rätin tai hiomapaperin päällä se saa pitoa ja voittaa. Lisäksi on selvää, että auto, jonka päälle on asetettu paino (mandariini), on selvästi vahvempi köydenvedossa.

Tieteen selitys: Miksi ”raskaampi” voittaa?

Lukion fysiikan tehtävissä mainitaan usein ehto ”kun kitkavoima voidaan jättää huomiotta” (oletetaan kitkattomuus). Tämän vuoksi monilla saattaa olla mielikuva, että kitkavoima on paha häiritsijä, joka estää liikkeen. Autoille ja Mini 4WD:lle kitkavoima on kuitenkin välttämätön voima eteenpäin liikkumiseksi (vetovoima).

Aivan kuten ei voi juosta jäällä liukastelematta, auto voi edetä eteenpäin vain siksi, että renkaat tarttuvat maahan (kitkan ansiosta), mikä tuottaa vastavoiman. Jos ajat Wild Mini 4WD:tä kädelläsi, tunnet varmasti renkaiden voiman, joka potkaisee ihoa vasten. Tämä on kitkavoiman todellinen luonne.

Renkaan vaikutus-vastavaikutussuhde

Tässä köydenvedossa voittamiseksi tarvitaan suurempi kitkavoima. Kitkavoiman suuruus esitetään seuraavalla yksinkertaisella kaavalla:

F ＝ μN

(Suurin kitkavoima = Lepokitkakerroin × Normaalivoima)

Sovelletaan tätä kaavaa tähän kokeeseen:

• μ (myy): Lepokitkakerroin Tämä kuvaa ”pinnan liukkaudettomuutta” (karheutta). Kun alustana käytetään rättiä tai hiomapaperia, tämä arvo kasvaa, kitkavoima kasvaa ja auto voittaa.
• N (ee): Normaalivoima Tämä on voima, jolla pinta tukee esinettä. Tasaisella pinnalla se on verrannollinen ”painoon”. Kun päälle asetetaan paino tai mandariini, renkaat painuvat lujemmin maata vasten, kitkavoima kasvaa ja auto voittaa.

Kun auto on painava ja kun se on kevyt

Kun pyydämme oppilaita tekemään ennusteita, jotkut ajattelevat: ”Eikö painavampi häviä, koska se liikkuu vaikeammin?” Kuitenkin, aivan kuten sumopainissa, työnnössä (tai vedossa) raskaampi on edullisemmassa asemassa, koska se pystyy tarttumaan maahan lujemmin. Tämä on suositeltava koe, koska oppilaat ymmärtävät kitkan kaavan helposti nähtyään Mini 4WD -autojen kilpailevan edessään, ei vain teoriassa.

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!