Magnetické delo

Newtonovo kyvadlo je fyzikálna hračka, v ktorej je päť rozmerovo a hmotnostne rovnakých kovových gulí zavesených tesne vedľa seba na tenkom vlákne. Tento experiment sa dá ľahko zopakovať aj na voľných guliach. Čo sa však stane, ak medzi ne vložíme silný magnet?

Videonávod týchto experimentov, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.

Guľky

Pomôcky: hliníková koľajnička, šesť rovnakých kovových guliek
Postup: Koľajničku položíme na vodorovnú podložku a pevne ju tam uchytíme. Na koľajničku uložíme vedľa seba šesť guliek. Jednu guľku oddelíme od ostatných a skontrolujeme, že zvyšných päť je v pokoji a navzájom sa dotýkajú. Oddelenú guľku postrčíme smerom k ostatným. Pokus opakujeme s dvoma, prípadne aj troma guľkami. Vždy však musíme dbať na to, aby sa tie, ktoré sú v pokoji, navzájom dotýkali. Takisto tie, ktoré posielame do zrážky, musia ísť spolu ako jeden celok.
Pozorovanie: Ak pošleme jednu guľku naraziť do piatich v pokoji, oddelí sa práve jedna z druhej strany, pričom za ideálnych podmienok sa guľky v strede ani nepohnú. Ak na zrážku vyšleme dve guľky, tak z opačnej strany vyštartujú zasa dve rovnakou rýchlosťou. Pri zrážke troch guliek z ľavej strany sa oddelia tri z pravej strany radu.
Vysvetlenie: Newtonovo kyvadlo aj tento experiment pracujú na základe praktickej aplikácie fyzikálnych zákonov, a to zákona zachovania hybnosti a zákona zachovania energie. Zákon zachovania hybnosti hovorí, že hybnosť celej sústavy pred zrážkou a po nej musí byť rovnaká. Takže súčin hmotností a rýchlostí jednotlivých guliek je rovnaký pred zrážkou aj po nej. Pred zrážkou sa pohybuje iba jedna guľka vľavo, takže m · v₁, a po zrážke len guľka úplne vpravo. Keďže sa pohybuje iba jedna guľka, tak m · v₁ = m · v₂, z čoho vyplýva, že aj rýchlosť odrazenej guľky musí byť zhodná s rýchlosťou prvej. Prečo sa neodrazia napríklad dve guľky iba polovičnou rýchlosťou? Je to pre potrebu zachovania energie sústavy a v tomto prípade sa musí zachovať kinetická energia ½m · v₁² = ½m · v₂², kde druhá mocnina rýchlosti dosadzuje do rovnosti vzťahu práve jednu možnosť, a to keď v₁ = v₂. To isté platí, aj keď štartujeme pokus s dvoma či troma guľkami. Vždy sa odrazí rovnaký počet guliek s rovnakou rýchlosťou.

Delo

Pomôcky: hliníková koľajnička, šesť rovnakých kovových guliek, silný neodýmový magnet
Postup: Koľajničku položíme na vodorovnú podložku a pevne ju tam uchytíme. Na koľajničku uložíme vedľa seba šesť guliek. Jednu oddelíme od ostatných. Z ľavej strany guliek uložíme magnet, ktorý zabezpečí, že pätica guliek sa bude navzájom dotýkať.
Pozorovanie: Jednu guľku pomaly pošleme z ľavej strany na magnet a sústavu guliek. Tentoraz guľka z pravej strany sústavy vystrelí podstatne väčšou rýchlosťou. Pokus môžeme opakovať aj s magnetom umiestneným kdekoľvek medzi guľkami v pokoji a sledovať, ako sa s jeho polohou mení rýchlosť vystrelenej guľky. Na začiatku pokusu sa guľka pohybuje podobne ako v prvom pokuse. V spomalenom zábere si však môžeme všimnúť, že tesne pred magnetom sa jej rýchlosť prudko zvýši, a to vďaka magnetickej sile.

Vysvetlenie: Keďže magnet je súčasťou sústavy a na jej konci je guľka rovnakej hmotnosti, vystrelená guľka bude mať rýchlosť ako prvá guľka v momente zrážky s magnetom. Takže napriek tomu, že sme prvú guľku na začiatku vyslali malou rýchlosťou, magnetická sila jej rýchlosť tesne pred zrážkou prudko zvýši, a to sa premietne do rýchlosti vystrelenej guľky. Vznikne magnetické delo. Keď budeme magnet posúvať do inej polohy medzi guľkami v pokoji, zistíme, že každá iná poloha je pre naše delo menej efektívna, keďže najväčšie zrýchlenie udelí guľke magnet v najmenšej vzdialenosti. Vystrelená guľka je v najväčšej možnej vzdialenosti od magnetu, a teda ju najmenej zbrzdí. Dokonca keď magnet umiestnime presne do stredu medzi guľky tak, aby sprava aj zľava mal po tri, guľka ani nemusí vystreliť. Nemá dostatočnú únikovú rýchlosť, aby sa dokázala vymaniť z magnetického poľa.

Autorka článku: PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Foto a video Stanislav Griguš
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.