MEKANIKENS GYLLENE REGEL Inledning Det finns olika sätt att förflytta föremål och om du ska flytta en låda försöker du säkert komma på det enklaste sättet, det som är minst jobbigt för dig. Newton funderade också i dessa banor och kom på en regel som handlar om vad som är minst jobbigt och det är den som det här experimentet handlar om. Läroplanen Fysik Ur det centrala innehållet i fysik för åk 7-9: - Krafter, rörelser och rörelseförändringar i vardagliga situationer och hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet. - Historiska och nutida upptäckter inom fysikområdet och hur de har formats av och format världsbilder. Upptäckternas betydelse för teknik, miljö, samhälle och människors levnadsvillkor. - Mätningar och mätinstrument och hur de kan kombineras för att mäta storheter, till exempel fart, tryck och effekt. Ur kunskapskraven i fysik för åk 7-9: - Eleven kan genomföra undersökningar utifrån givna planeringar och även formulera enkla frågeställningar och planeringar som det går att arbeta systematiskt utifrån. - Eleven kan föra E/C/A underbyggda resonemang där företeelser i vardagslivet och samhället kopplas ihop med krafter, rörelser, hävarmar, ljus, ljud och elektricitet och visar då på E/C/A samband. Teknik Ur det centrala innehållet i teknik för åk 7-9 - Ord och begrepp för att benämna och samtala om tekniska lösningar. Laborationen tar upp en av de enkla maskinerna, varför det kan vara lämpligt att diskutera de enkla maskinerna i allmänhet, vilka krafter som verkar och hur de används i det moderna samhället.
Experimentet täcker det centrala innehållet som handlar om krafter och mätningar och mätinstrument. Det lutande planet använder vi i många vardagliga sammanhang utan att tänka på det; t ex trappor och ramper och det fungerar som underlag till diskussion om de enkla maskinernas betydelse i allmänhet i vårt samhälle. Här kommer det centrala innehållet i både teknik, i form av tekniska lösningar, och fysik in. Newtons arbete och lagar kan tas upp till diskussion och vad hans forskning har legat till grund för i samhället. Bakgrund Det lutande planet är en av de enkla maskinerna. Andra enkla maskiner är skruven, hävstången, blocket, hjulet och axeln samt kilen. För att transportera något med hjälp av ett lutande plan krävs det bara en enda kraft och det är det som är gemensamt för de enkla maskinerna och anledningen till att de kallas enkla. En enkel maskin är ett verktyg som underlättar arbete. Den underlättar arbete genom att minska kraften som krävs för att utföra arbetet. De enkla maskinerna underlättar arbete genom att minska kraften som behövs för att utföra arbetet men på vilket sätt kan då kraften minskas? Tänk dig ett berg i Norge. Runt berget slingrar sig en smal väg och ska du förflytta dig upp till toppen kan du antingen klättra rakt upp från bergets fot eller så kan du ta vägen. Det enklaste är att följa vägen upp eftersom det krävs mindre kraft för det än för att klättra uppför berget. Dock får du gå en längre sträcka om du väljer vägen och eftersom både kraft och sträcka ingår i formeln för mekaniskt arbete blir arbetet detsamma vilket väg du än väljer; Det man vinner i kraft förlorar man i väg. Den regeln kallas för mekanikens gyllene regel. Sensorn Med kraftsensorn mäts dragkraft och då behöver kroken vara monterad på ena sidan. Kraftmätaren klarar den maximala tyngden 50 N vilket motsvarar massan 5 kg. Innan användning nollställs sensorn i vertikalt läge med knappen Zero på framsidan. Syfte med experimentet Att förstå att de enkla maskinerna ligger till grund för alla mer avancerade maskiner som konstruerats. Att förstå att Mekaniken gyllene regel innebär att arbetet är detsamma oavsett om man väljer den kortare jobbigare vägen eller den längre enklare vägen. Begrepp att diskutera Maskin, arbete, kraft, hävstången, skruven, blocket, lutande planet, hjulet. Experiment Experimentet går ut på att undersöka vilken kraft som behövs för att förflytta ett föremål genom att lyfta det jämfört med att använda ett lutande plan.
Utrustning Kraftsensor, AirLink, ipad med Sparkvue HD, föremål med känd massa, vagn på hjul, lutande plan. Utförande Placera förmålet på vagnen och bind fast det om det behövs eftersom vagn plus last ska kunna lyftas rakt upp och dras uppför det lutande planet. Mät det lutande planets längd och höjd. längd höjd äng d 1. Lyft vagn + last rakt upp. Håll kraftsensorn vertikalt och nollställ den. Fäst den vid vagnen och lyft lika högt som höjden av det lutande planet. Läs av kraften som behövdes för att lyfta lasten den aktuella sträckan. 2. Nu ska du dra vagnen uppför det lutande planet. Håll kraftsensorn horisontellt och nollställ den. Fäst den vid vagnen och placera den nedanför det lutande planet. Dra den uppför med jämn hastighet och läs av kraften. I det här fallet bortser vi från den motverkande friktionskraften. Föremål Lyft/dra Lutande planets Längd (m) Lutande planets Höjd (m) Kraft (N) Arbete (Nm) Efterbearbetning Nu ska du räkna ut arbetet som krävs för att lyfta vagnen rakt upp och arbetet för att dra vagnen uppför det lutande planet. Arbetet = Kraften Sträckan
Resultatet från ett exempel Slutsats I experimentet med det lutande planet förflyttade vi ett föremål från en höjd till en annan men vi gjorde det på olika sätt. Det ena sättet var att helt enkelt lyfta upp det och det andra sättet var att dra det uppför ett lutande plan. I vilket av dessa två sätt behövs det mindre kraft att flytta föremålet? Det krävs mindre kraft att dra något uppför ett lutande plan än att lyfta det upp; 3,2 N mot 6,1 N att lyfta. Det totala arbetet blir dock detsamma eftersom sträckan tas med när man räknar ut arbetet. Kommentar Det blir bäst resultat om föremålet som används som last har lite högre massa, minst 500 g. När du lyfter behöver du inte tänka på att lyfta exakt 0,25 m, det viktigaste är att lyfta den uppåt med jämn hastighet. På samma sätt behöver vagnen inte dras längs hela det lutande planet utan det viktiga är att vagnen dras med jämn hastighet den sträcka där du mäter kraften. Skillnaden i resultatet kan bero på friktionskraften och på svårigheten att hålla konstant hastighet.
Fundera på 1. I vilket eller vilka sammanhang har du använt dig av någon av de enkla maskinerna? 2. Vilket av dessa två sätt att förflytta en låda på innebär mest arbete: Lyfta upp lådan och bära iväg den eller lyfta upp lådan, placera den på en vagn och rulla iväg den? 3. Vilket innebär mest arbete; att bära en tung låda uppför en trappa eller att ta hissen upp med lådan? 4. Vilket innebär minst arbete; att dra en resväska på hjul eller att bära den? (Ur väskans synvinkel) Film från AV-Media - Enkla maskiner En film som tar upp de enkla maskinerna och hur vi använder dem till vardags utan att vi har en aning om det. http://beta.sli.se/apps/sli/prodinfo.php?db=36&article=v6995 I filmen tas följande begrepp upp: Hävstången, det lutande planet, skruven, hjulet och axeln, kilen, blocket, kraft, kraftförstärkning och arbete. - Isaac Newton och gravitationen. Id: V2536. Ålder från 13 år. (Strömmande, DVD). I filmen förklaras, med hjälp av Newtons tre lagar, vad tyngdkraft är med fallande äpplen och upptäckten av hur det är möjligt att planeterna kan kretsa kring solen. http://beta.sli.se/apps/sli/prodinfo.php?db=36&article=v2536