Фундаментальні закони фізики, які відомі зі шкільної програми, зазвичай легко запам'ятовуються.Але
Звичайно, самому відтворити закони Ньютонапотрібно не кожен день: потрібно пояснити їх дитині, хочеться перевірити свої знання у фізиці, «пограти» в щось відчутне, а не цифрові моделі, або згадати давно забуте зі шкільних часів. Лабораторних установок для цього не потрібно. А можна і зовсім обійтися тільки моделями, що складаються з дерева і гумок. Таку можливість дають конструктори UGEARS. Головне - дотримати точність складання, якими б не були базовими закони фізики, щоб вони працювали, теж потрібні певні умови. Розповідаємо, які природничі канони можна перевірити на дерев'яних моделях і що для цього потрібно.
Моноколесо. механічне рівновагу
Моноколесо сьогодні стало практично таким жепопулярним видом міського транспорту, як і гіроскутер, електросамокат або велосипед. Те, на чому ганяють любителі швидкості - електричний самобалансірующіхся уніцикл - лише сучасна модифікація моноцикла, який був широко поширений в кінці XIX - початку ХХ століття. Тільки тоді замість електродвигуна використовували мускульну силу людини, як і у випадку з велосипедом. А ось для рівноваги замість датчиків, гіроскопів і акселерометрів були необхідні виключно таланти, вправність і досвід.
В основі пристрою моноцикла лежить принципмеханічної рівноваги, яке важливо підтримувати в процесі руху. Моноцикл здатний зберігати вертикальне положення, поки колесо утримується під центром мас (про це говорить теорія інвертованого маятника). А потрібне положення, як вже говорилося, задається наїзником. По суті, на моноциклі саме людина, підсвідомо відчуваючи, куди завалюється його транспортний засіб, компенсує падіння, переміщаючи колесо в ту точку під собою, де знаходиться центр мас. Це важливо зробити до тих пір, поки моноцикл не впаде.
Прискорення моноцикла визначає відстань відцентра ваги до точки контакту, а швидкість і напрямок обертання колеса - відносне положення плями контакту, а разом з ним і характер динаміки прискорення. Тому, щоб прискоритися, наїзник повинен змістити центр ваги вперед, а якщо сповільнитися - назад. А щоб почати рух, потрібно фактично «впасти» - досить нахилу тіла, руху рук або стегон, щоб надати моноцикла прискорення.
У UGEARS для демонстрації цих принципів механікиє самохідне моноколесо. Дерев'яна модель складається з 300 деталей, а рух її наводить гумомотор, який завдяки балансуванню (тут таланти наїзника не знадобляться) дозволяє колесу не падати. Коли енергія резиномотора закінчується, закріплені на колесі лапки забираються, і воно починає обертатися як просте колесо і в результаті просто гарно перевертається. Якщо лапки зафіксувати, воно теж продовжить рух, але вже як балансуюче колесо.
Хронометр. Маятник і принцип механічного годинника
Вперше людина стала вимірювати час за допомогоюмеханічних годинників в VIII столітті в Китаї, звідки технологія рідинного спускового механізму прийшла спочатку в арабський світ, а потім потрапила в дещо іншому вигляді в Західну Європу. Там механічний годинник мали тільки годинну стрілку, а наводилися в рух шляхом заводу гирьового механізму. Годинники стали центром життя людини - їх встановлювали на головних ратушних вежах міст, вони відзначали не тільки опівдні або опівночі, а й церковні свята.
Крім звичного кожному циферблату,механічний годинник складається з джерела енергії (це може бути як гиря, так і пружина), спускового механізму, що перетворює безперервне обертання рух на коливальний або зворотно-поступальний, а також регулятор — ним може бути маятник або баланс. Спусковий механізм та двигун з'єднує, як правило, система шестерень.
Зрозуміло, механічні годинник не настільки точні,як їх електронні або кварцові «нащадки». Похибка може складати від +40 до -20 секунд на добу. А сьогодні саме механічний годинник в основному використовують для підтримки традицій.
В основі роботи механічних годинників лежить система,іменована фізиками маятником. Це така механічна система, яка здійснює механічні коливання, будучи в підвішеному стані в полі тяжіння. В процесі коливання кінетична енергія маятника перетворюється в потенційну (це енергія сили пружності і гравітації) і назад. А сили тертя поступово перетворюють цю кінетичну енергію в теплову, за рахунок чого амплітуда коливання поступово знижується.
Перевірити, як влаштована така механічнасистема, а також створити власний хронометр, можна і з дерева. Як джерело енергії такого пристрою буде виступати знову ж гумомотор, а для того, щоб завести хронометр на певний час (в даному випадку таймер працює в інтервалі до 20 хвилин), досить відвести стрілку циферблата на певну величину. Звичайно, для початку доведеться стати годинникарем і зібрати відкритий шестерний механізм. В даному випадку точність важлива як ніколи.
Трамвай. Момент, що обертає, перетворення потенційної енергії натягу в механічну роботу
Відчути себе Федором Піроцькі,винахідником першого електричного трамвая в Росії, можна і за допомогою моделі. Але спочатку краще розібратися, як насправді приводиться в рух трамвай. Предком електричного транспорту була проста конка, де вагон з пасажирами тягли по рейках коні. З настанням електричної епохи тягу здійснюють двигуни.
В сучасних трамваях найчастіше використовуютьтягові двигуни постійного струму, так як саме такий струм споживає система трамвая. Але електроніка дозволяє перетворювати постійний струм в змінний, а значить, двигуни змінного струму теж можна використовувати в оснащенні трамваїв. Тим більше, на відміну від двигунів постійного струму, у них немає швидко приходить в непридатність колекторно-щіткового вузла. Саме він постійно потребує ремонту і технічному обслуговуванні.
Щоб передати енергію від двигуна до осі колісної пари, вагони оснащуються кардан-редукторною передачею, що складається з механічного редуктора і карданного валу відповідно.
Щоб зібрати власний редуктор, буде потрібноне так багато зусиль, якщо розрахунки зроблені вже за вас. В основі цього механізму лежить функція редукції - зниження зусилля, необхідного для приводу пристрою, що перетворює передану потужність в корисну роботу. Найпростіший спосіб такого перетворення - пара взаємно з'єднаних циліндричних шестерень різного діаметру: провідною шестернею є та, що володіє меншим розміром.
У дерев'яній моделі трамвайної лініїелектрика не потрібна. Крім того, що для з'єднання не потрібно навіть клей, а всі матеріали виготовлені з дерева, як джерело енергії використовується той же гумомотор, який необхідно завести - за принципом натягування пружини. Перетворення енергії на обертальну так само, як і в справжньому трамваї, відбувається за рахунок зубчастої передачі. Крім того, трамвай може рухатися просто за рахунок різниці висот, тоді знову ж таки відбувається перетворення потенційної енергії на кінетичну.
Пневматичний двигун. Перетворення енергії стиснення в механічну роботу
Пневмодвигун придумали досить давно,практично виконавши давню мрію людства: отримувати енергію з повітря. Інша справа, що для початку це повітря необхідно стиснути, для чого, зрозуміло, теж потрібна істотна енергія. Звичайно, використання Пневмодвигуни і приводів сильно розширює сферу використання різних пристроїв, коли необхідна підвищена безпека, а використання електрики або горючих речовин неможливо.
І застосування у такого фізичного принципу можебути безліч. Майже всі з них перемогли електрику. Проте історія пам'ятає і пневмопошту, і навіть пневматичну залізницю. У 1861 році в Петербурзі було побудовано перший в історії локомотив із пневмоприводом. Його назвали на честь творця – духодод Барановського.
Як не дивно, пневмодвигун можна зібрати ііз дерева. Причому практично повний аналог справжнього, включаючи тахометр. Щоб запустити в рух двигун, звичайно ж, потрібно повітря. Щоб не відходити від парадигми - тільки дерево і гума, творці конструктора пропонують використовувати звичайний повітряна кулька, який можна надути і під'єднати до двигуна за допомогою спеціальних насадок і розтруба. При цьому повітря буде приводити в рух поршні пневмоустройства і створювати кінетичну енергію.
Аркбалліста. Перетворення енергії натягу в енергію польоту
Метальні знаряддя використовувалися людиноюдосить давно - в Стародавньому світі і Середні віки. Однак і сьогодні можна зустріти подібну зброю, зокрема в спорті, де використовуються луки та арбалети. В основі роботи таких знарядь лежить перетворення м'язових зусиль людини в енергію польоту. Щоб зробити цю енергію вище, можна здійснити накопичення потенційної енергії за допомогою пружних елементів або противаги. У цибулі або арбалеті це тятива.
Гіпертрофований варіант арбалета - аркбалліста- використовувався в якості стану облоги знаряддя при взятті міст і фортець. Лук, довжина якого сягала 3,5 м, кріпився до масивного дерев'яного ложу на дерев'яній рамі-лафеті, розташованої на двох колесах великого діаметру. Натяг тятиви здійснював артилерист за допомогою укріпленого на рамі ворота. Сьогодні, звичайно, подібні пристрої зустрічаються тільки в комп'ютерних іграх. Правда, основи артилерії заклали саме тоді.
Класика військової машини у вигляді дерев'яної моделінавряд чи зможе захопити справжній замок, а от пограти в «аналогову» комп'ютерну гру вийде. Модель складається з двох частин: блоку стрільби і основи з регульованими опорами, саме здійснює стабілізацію конструкції під час стрілянини. А стріляє така аркбалліста дерев'яними болтами. При бажанні, звісно, можна запустити і чимось іншим. Важливо пам'ятати, як і будь-якого артилеристові, що для грамотного нанесення удару потрібно правильно виставити кут по вертикалі і горизонталі, а не просто приводити в дію спусковий механізм.
Те, що дерев'яні іграшки застаріли, можна легкоспростувати, показавши одну з таких моделей. А якщо ще розповісти про закони фізики, які приводять їх у рух, вивести пару формул і намалювати напрямок векторів сил, що беруть участь у створенні різних типів енергій, то і саме слово «конструктор» буде вже відноситися не до моделей, а до їх власникам.
Якщо ви вирішили придбати якийсь ізконструкторів, користуйтеся промокодом HIGHTECH, він дає знижку 20%. Зараз в каталозі компанії UGEARS 73 моделі, в тому числі реально закривається сейф, спорткар і байк, пістолет, скринька з секретом, великий локомотив з тендером.
Читайте також
Знайдена найдальша і найдавнішу галактику у Всесвіті
В Андах знайшли 20 нових видів тварин і рослин
Вчені з'ясували, куди пропали червоні гіганти з центру Чумацького Шляху