Kiirus 101: mootorratta võidusõit kui reaalmaailma füüsika laboratoorium

 Kiirus 101: mootorratta võidusõit kui reaalmaailma füüsika laboratoorium

Leslie Miller

Grand Prix võidusõidumootorratas on palju asju: kõige muljetavaldavam on inseneriteaduse ime, mille arendamine ja ehitamine maksab sadu tuhandeid dollareid, ning üks kiireimaid ratastel olevaid masinaid, mis suudab saavutada kiirust üle 210 miili tunnis ja säilitada haardumise teel 60-kraadise või suurema kaldenurga juures.

Kuid teaduslikult vaadatuna ei ole võidusõiduratas midagi vähemat kui füüsikaseaduste kineetiline demonstratsioon. Freddie Spencer, kaheksakümnendate aastate legendaarne grand prix meister ja nüüd Las Vegases asuva Freddie Spencer's High Performance Riding School'i "dekaan", sõnastab selle nii: "Mootorrattasõit on tõeline füüsikalabor, kus valede vastuste eest saadav karistus on palju dramaatilisem kui kehv hinne."

close modal Credit: Fiat Yamaha Team 1. Gravitatsioon: Sõitja nihutab kaalu pöörde sisse, et aidata mootorratta suunda muuta ja alandada selle raskuskeskme. Credit: Fiat Yamaha Team 1. Gravitatsioon: Sõitja nihutab kaalu pöörde suunas, et aidata mootorratta suunda muuta ja alandada selle raskuskeskme.

2. Kineetiline energia:

Kiirusel sirgel teel on mootorratta energia suunatud ettepoole.

3. Esimene liikumisseadus:

Newton väitis, et liikuv keha püsib sirgjoonel, kui ta ei ole sunnitud muutuma.

4. Termodünaamika:

Mootorratta aeglustamine suurest kiirusest kitsaste kurvide jaoks põhjustab pidurite kuumenemist ja võib vähendada nende tõhusust.

5. Tsentrifugaaljõud:

Kiiretes kurvides mõjuvad kallak ja ettepoole liikumine võimsale tõmbele raja välisserva suunas vastu.

6. Hõõrdumine:

Nende ümarate rehvide eriline segu võimaldab haardumist asfaldil isegi 60-kraadise ja suurema kaldega nurga all.

Charles Falco, Arizona ülikooli kondenseeritud ainefüüsika õppetooli juhataja ja Guggenheimi muuseumi kaas-kuraatori sõnul on Mootorrattakunst näitus, esimene füüsikaõpetus, mida saab õppida, kui vaatab, kuidas võidusõidumootor ruttab tihedasse kurvi, on Newtoni esimene liikumisseadus: "Iga objekt püsib oma puhkeolekus või ühtlases liikumises sirgjoonel, kui seda ei sunnita sellele mõjuvad jõud seda seisundit muutma," selgitab Falco. Sõitja jaoks tähendab see, et mida kiiremini mootorratas sõidab, seda vähem tahab ta keerata.

Vaata ka: Teadusliku uurimise kavandamine: väide + tõendid + põhjendused = seletus

Jalgratta kineetilise energia muundamine otsejoonelt pööreteks nõuab füüsikaga läbirääkimist mitmel viisil. Esiteks, rattur lükkab juhtrauda veidi eemale pöörde suunas. Kuna rattad toimivad güroskoopidena, suunab see vastukaalujuhtimine jalgratast vastupidises suunas (pöörde suunas), mis paneb rehvid nurga alla, kitsendades seda, mida insenerid nimetavad kontaktpindadeks.ja muudab jalgratta pööramise lihtsamaks.

Samal ajal liigub sõitja jalgrattalt maha pöörde suunas. Mootorratta kaldenurk nihutab raskuskeskme küljele, mis põhjustab jalgratta pöörde, samas kui kaalu ümberjagamine võimaldab masinal jääda veidi püstisemaks.Maksimaalse kaldenurga punktis, mis on vajalik, et läbida pööret võimalikult suurel kiirusel, tahab tsentrifugaaljõud tõmmata jalgratta masinat kõrvale.rada ja rattur kasutab veojõudu, gravitatsiooni ja hoogu, et mängus püsida.

Selgitamaks, miks masin üldse liigub, tugineb Falco Newtoni teisele liikumisseadusele: Kui objektile rakendatakse jõudu, siis see kiirendab seda. "See juhtub seni, kuni ratturil ei ole enam rada või kuni muud jõud, näiteks tuuletakistus, muutuvad ebaoluliseks," ütleb Falco.

Mõnel rajal peavad grand prix mootorrattaid, mis lähenevad kitsastele kurvidele, aeglustama kiirust üle 200 km/h umbes 40 km/h. Pidurite (peamiselt esipidurite) hõõrdumine teeb selle võimalikuks. "Kogu see liigne energia tuleb pidurite poolt soojuse kujul ära anda," ütleb Falco, tuues seega esile aine ja energia säilimise seaduse. Osa sellest soojusest kandub hüdraulilistele piduritelevedelik, mis võib põhjustada pidurite pidurdusvõime vähenemist, millel võivad olla katastroofilised tagajärjed.Selle probleemi vältimiseks kasutavad insenerid kosmosetehnoloogia keraamilisi materjale ja sõitjad saavad osavaks pidurite kiireks sisse- ja väljalülitamiseks.

Edukas võidusõit on paljuski nagu maksude maksmine: sa tahad reegleid nii kaugele ajada kui võimalik, ilma neid rikkumata. Optimaalse kurvimise ja kokkupõrke vahel on väga peen piir, kus väljapoole, alla ja ettepoole suunatud jõud on täpselt tasakaalus.Aga reeglid on reeglid. "Kõigi füüsikute nimel rääkides," kinnitab Falco, "miski, mis mootorratastel juhtub, ei riku füüsikaseadusi.Tegelikult on mootorrattad suurepärased näited sellest, kui hästi füüsika töötab."

Vaata ka: Õpetaja ja lapsevanemate suhtlusstrateegiad, et alustada aastat õigesti

Füüsika, lõbu? Oh, jah!

Füüsika on füüsikute jaoks lõbus, kuid mõned õpilased, pehmelt öeldes, ei soojene selle teema suhtes kohe. Hea viis vastupanu ületamiseks on näidata õpilastele, millist otsest rolli mängib füüsika nende elus ja huvides, ning rikkalikud ressursid Internetis teevad selle lihtsaks. Siin on teile alustuseks valik veebisaite ja videoid, mis garanteeritult toovad füüsika teie klassiruumi viisilmis on nii lõbus kui ka põnev.

Kuidas visata kõverpalli

See lühike, lihtne õpetus "Kurvile visatud" pärineb Exploratoriumist, San Francisco suurepärasest enesereklaamitud "teaduse, kunsti ja inimtunnetuse muuseumist". Selles pakutakse isegi välja, kuidas teha selline tegevus klassiruumis (peaaegu) ohutuks: "Oleme leidnud, et neid viskeid on palju lihtsam visata ja tulemusi jälgida, visates stürofoamkuuli."

Interaktiivse koolitusveebi Fugu.comi lühikese, 105-sekundilise "Kuidas visata kõverpalli" video loomiseks tegi veebileht koostööd Marc McDonnelliga, kes töötab baseballi ja softballi õpetamise keskusest AllStar Dugout. McDonnell selgitab viske tehnikat nii selgelt, et isegi füüsik saab selle omandada.

ViewDo.comi tasuta veebipõhine videokogu "How to Throw a Curveball" on hea ja selge kõverpallide demonstratsioon. Jälgige lõpus aegluubis seanssi, mis võimaldab õpilastel tähelepanelikult jälgida palli unikaalset käitumist.

"How to Throw a Curveball," from eHow.com, sisaldab suurepäraseid neljast sammust koosnevaid tekstilisi juhiseid, "Tips & Warnings" osa ja lugejate kommentaare, mis muudavad selle pitchingu õppetunni täiuslikuks täienduseks Fugu.com ja ViewDo.com pakkumistele.

Rula füüsika

Exploratoriumi kenasti esitatud veebiülesanne "Skateboard Science" keskendub liikumisele ja jõududele ning nende seosele rula- ja rulaoskusega. See hõlpsasti navigeeritav veebileht sisaldab videot, sõnastikku, varustuse üksikasju ja isegi rula- ja rulaoskuse ajalugu.

"The Physics of Skateboarding" on põhjalik õpetaja koostatud tunniplaan ("põhineb Exploratoriumi materjalil"), mis juhendab õpilasi rula trikkide õppimisel ja nende seostamisel Newtoni kolme seadusega, gravitatsiooni, impulsi, trajektooride, ringliikumise ja hõõrdumisega. Sisaldab mitmeid linke asjakohase teksti, piltide ja videote juurde.

Ühel teisel leheküljel olev põnev tegevus "Rula füüsika" on välja töötatud Põhja-Carolina Ülikooli Wilmingtoni kraadiõppuri poolt osana selle osariigi 2001. aasta 8. klassi loodusteaduste standardõppekursusest.

See teejuht TeacherVisioni "Rulatuskäik Slosh" demonstratsioonile, mis on mõeldud 3.-6. klassile, juhendab teid ja teie õpilasi, kui te kinnitate veekonteineri rulatuskäigu külge ja jälgite, kuidas liikumine ja jõud mõjutavad vedelikku.

--Douglas Cruickshank

Owen Edwards on Edutopia ja Smithsoniani ajakirjade toimetaja.

Leslie Miller

Leslie Miller on kogenud koolitaja, kellel on üle 15-aastane erialane õpetamiskogemus haridusvaldkonnas. Tal on magistrikraad hariduses ja ta on õpetanud nii alg- kui ka keskkoolis. Leslie pooldab tõenduspõhiste praktikate kasutamist hariduses ning naudib uute õpetamismeetodite uurimist ja rakendamist. Ta usub, et iga laps väärib kvaliteetset haridust ja otsib kirglikult tõhusaid viise õpilaste edu saavutamiseks. Vabal ajal naudib Leslie matkamist, lugemist ning pere ja lemmikloomadega aega veetmist.