Tip:
Highlight text to annotate it
X
Hej, tu Destin. Witajcie w kolejnym odcinku Smarter Every Day. Wiadomo, że jeśli chcemy dobrze się rozeznać
w jakimś określonym zagadnieniu, trzeba uderzać do ekspertów. Właśnie dlatego pojechałem niedawno
do Niemiec i odwiedziłem niejakiego Jörga Sprave. [burzowe grzmoty] Dzisiaj dowiemy się co nieco o fizyce
strzelania z procy. Jednak na dobry początek, trochę sobie po prostu postrzelamy.
A Wy Bystrzejecie z Każdym Dniem (Smarter Every Day).
Tak więc dzisiaj gościmy w Niemczech, na 300-letniej fermie mlecznej położonej w małym przysiółku.
- Jörg, to co my tu będziemy robić? - No, popatrzymy sobie, jak strzela Tobias,
a jest on aktualnym światowym rekordzistą w sile strzału
oddanego z procy ręcznej. Wypuszcza on z takiej procy pociski o energii ponad 100 J.
Najpierw spróbujemy sprzątnąć butelkę zacnego niemieckiego piwa.
Trochę się nam utrzęsła. Bądźmy dobrej myśli.
[okrzyki radości]
Ja Cię!
[śmiech]
Ja. Tak się to robi.
[muzyka]
[śmiech] O kurczę!
(Jorg) Soczysty bordowy kolor. Coś pięknego. (Destin) Bleee, wygląda jak pęknięta czaszka.
Robi wrażenie. W sumie rzeczywiście -- ładne bordo.
[Na gumie pojawiają się fale od momentu, gdy pocisk przestaje przyspieszać.]
(Destin) Było super. Piąteczka. W Ameryce przybijamy piąteczki.
[śmiech] Jörg, piąteczka! W dechę.
Taśma elastyczna to materiał o ciekawych właściwościach.
Zrobiliśmy sobie taki wykres. Gdy chcemy wprowadzić tutaj do układu energię,
czyli: gdy chcemy zwiększyć energię potencjalną taśm procy,
to oczywiście musimy po prostu je naciągnąć. Ciekawostka polega jednak na tym,
że im bardziej naciągamy taśmy, tym ciężej naciąga się je dalej.
Pokażę Wam. Na tym siłomierzu widać, że im dalej ciągnę,
tym większy opór muszę pokonać. Jeśli spróbuję teraz sporządzić wykres zależności
energii potencjalnej układu [oś Y] od stopnia rozciągnięcia taśmy [oś X],
to ten zwiększający się opór znajdzie odbicie w fakcie, iż nie będzie to wykres funkcji liniowej, tylko krzywa.
Patrząc z drugiej strony, gdy wypuszczam pocisk i gdy przyspiesza on na drodze od zwolnionego
uchwytu do widełek, zależność jego energii od drogi też opisze krzywa, bo takie są właściwości dynamiczne taśmy.
Jest jednak coś jeszcze. Jeśli w dowolnym punkcie osi rozciągnięcia
dodamy wartość z wykresu energii potencjalnej taśmy oraz wartość e. kinetycznej rozpędzającego się pocisku,
to powstała suma zawsze będzie w przybliżeniu równa
całości energii, jaką włożono do układu. Jest też inna właściwość taśmy elastycznej,
którą lepiej poznałem dopiero dzięki eksperymentom Jörga. Otóż, rozciągając taśmę, powodujemy jej lekkie
rozgrzanie. Okazuje się, że jeśli będziemy trzymać taśmę rozciągniętą i dopuścimy do jej ostygnięcia,
utracimy część włożonej energii. Innymi słowy, spadnie nam w ten sposób poziom
energii potencjalnej układu i w efekcie wypuszczony ze zwłoką pocisk będzie miał mniejszą prędkość --
tylko przez to, że pozwoliliśmy wystygnąć taśmie. Umiecie wytłumaczyć, na jakiej zasadzie tak się dzieje?
Jörg, mógłbyś nam to trochę przybliżyć? (Jörg) Jasne. Rekordowy strzał Tobiasa
to było wystrzelenie stalowej kulki o średnicy 20 mm z prędkością 83 m/s,
co przekłada się na 115 joule. (Destin) ... Dobra, gotów.
(Jorg) Tobias jest w stanie nadać pociskowi taką energię
dzięki temu, że wypuszcza pocisk od razu po naciągnięciu taśmy.
W ten sposób wykrzystuje pełną energię zakumulowaną w gumie i nie dopuszcza
do zaistnienia strat powstających na gruncie zjawiska histerezy sprężystej.
Oooh! [śmiech]
(Destin) O raju! Jaką to ma grubość?
Nieźle.
No tak, mamy stożkowaty otwór wylotowy. Taki stożek obrazuje, jak gwałtowne obciążenie miejscowe zostaje rozprowadzone w materiale.
Okej, a teraz zobaczcie: zawiesiłem pionowo dwie taśmy, z których pierwsza, jak sami widzicie,
stopniowo zwęża się ku dołowi, a druga ma stałą szerokość.
Zdrowy rozsądek podpowiada, że jeśli teraz do końców obu przypnę takie same ciężarki,
to taśma po lewej powinna rozciągnąć się bardziej, bo zawiera mniej materiału stawiającego opór sile ciężarka, prawda?
No i zgadza się -- tak jest w rzeczywistości. Wszystko gra.
Logicznie wnioskując, wydaje się więc oczywistym, że gdy założymy te dwie taśmy do proc i zaczniemy strzelać,
to proca wyposażona w niezwężoną taśmę -- tę z prawej --
będzie wyrzucać pociski z większą prędkością, prawda? Okazuje się, że wcale nie!
Osobliwość ta była dobrze znana ludziom bawiącym się w strzelanie z procy, choć brakowało jej udokumentowania.
Zajęliśmy się tym z Jörgiem przy użyciu kamery szybkoklatkowej Phantom.
Zarejestrowaliśmy z prędkością 1000 kl./s dwa strzały. Ten u góry został oddany z wykorzystaniem
niezwężonej taśmy, ten u dołu -- zwężonej.
Wyraźnie widać, która taśma nadaje większe przyspieszenie.
Moje wytłumaczenie tego zjawiska jest dość proste. Każdy materiał charakteryzuje właściwa mu zależność wartości naprężenia i odkształcenia.
Naprężenie to miara siły przypadającej na jednostkę objętości materiału, który rozciągamy.
Odkształcenie wyraża skalę wydłużenia rozciąganego ciała.
Pewnie chodzi o to, że większa część włożonej energii przechodzi w odkształcenie.
Podsumujmy: byliśmy na dwóch kontynentach, dowiedziałem się o dwóch zjawiskach, a w związku z nimi będę miał na koniec
dwa pytania do Was. Wracając do rzeczy które odkryłem: Po pierwsze, naciąganie gumowej taśmy
magazynuje w niej energię, lecz część tej energii szybko ucieka do otoczenia w postaci ciepła.
Po drugie, taśmy do proc zwężające się nieznacznie na swojej długości
skuteczniej zamieniają energię potencjalną na kinetyczną. A teraz jeszcze mały bonus.
W 1660 roku niejaki Robert Hooke odkrył prawo elastyczności, znane jako prawo Hooke'a.
I tu miejsce na ciekawostkę. Guma w gumowej taśmie
nie zachowuje się zgodnie z prawem elastyczności. W opisie filmiku znajdziecie linki
do artykułów, z których dowiecie się więcej na ten temat; z góry Wam tylko zapowiem, że mogą one poddać pewnej rewizji wiedzę zawartą w Waszych podręcznikach.
No dobrze, pora na zapowiadane pytania do Was. Pytanie 1: Dlaczego z napiętej gumowej taśmy
ucieka energia, gdy taśma stygnie? To znaczy, dlaczego np. ta wystrzelona tu przeze mnie gumka poleci dalej,
jeśli ją puszczę natychmiast po naciągnięciu? Drugie pytanie: Dlaczego zwężająca się taśma daje większy efekt?
Spróbujcie mi pomóc w wyjaśnieniu tych faktów. Mówił do Was Destin. Dzięki za uwagę.
A teraz, miłej zabawy przy ścinkach z produkcji.
... jest w tym naprawdę dobry, a ja właśnie chciałem zamienić swoją powierzchowną wiedzę
o właściwościach taśmy elastycznej, na pogłębioną znajomość problemu. Zanim jednak zajmiemy się
fizyką strzelania z procy... po prostu strzelajmy... Sknociłem ujęcie... A tak ładnie przycelowałem... Blah!
Używamy materiału o mniejszej podatności, aby osiągnąć większą prędkość... [meczenie kozy]
Proszę Panią bardzo. ... Ależ zapraszam.
... pogadać o procach. Chciałem się dowiedzieć...
[szeptem] O nie...
Kiedy Cię zobaczyłem po raz pierwszy,
to pomyślałem, że z Ciebie trochę taki laluś, więc cieszę się, że jednak nie. [śmiech]
Pogrywam sobie tak tylko dlatego, że ma nadwyrężoną rękę
i przez to nie może mi dać w ucho.
... chciałem więc przejść od głębokiego...
To mnie wykończy. Już mi się nie chce gadać.
... ta zwężająca się istotnie odkształca się bardziej. A teraz ciekawostka... Jest... kozo!... Weźże!...
... Chciałem pogłębić swą wiedzę na temat elastyczności...
Aah!
... Jörg Sprave. [grzmot] Dzisiaj dowiemy się co nieco o fizyce strzelania z procy. Jednak na dobry początek,
trochę sobie po prostu postrzelamy. A Wy Bystrzejecie z Każdym Dniem.
Wreszcie trafiłem całą kwestię!
Potrzeba widać było pioruna. [śmiech]
Oryginalne napisy: Andrew Jackson Tłumaczenie: Bartek Sobaś