Tradycyjne zabawki, które uczą nas zasad fizyki

W porównaniu do gier komputerowych zabawki z dawnych lat mogą wydawać się dzisiaj nudne. W rzeczywistości nie są one aż tak przyziemne, jak się wydaje. Wiele z nich pokazuje ważne zasady fizyki i zabawa nimi może pomóc dzieciom rozwijać intuicyjne rozumienie świata.

Bąk

Tę zabawkę można znaleźć w wielu krajach na świecie, a nawet w starożytnych ruinach. Obnaża kilka podstawowych zasad fizycznych. Pierwszą z nich jest zachowanie momentu pędu – prawa, które mówi, że w przypadku braku wpływów zewnętrznych, coś kręcącego się będzie w dalszym ciągu się obracać. Ponieważ bąk balansuje na maleńkim punkcie, doświadcza minimalnej ilość tarcia, co pozwala na rozkosznie długie wirowanie.

Gdy tarcie hamuje bąka, górna część zabawki staje się niestabilna i zaczyna kołysać się, co z kolei jest przedstawieniem innej zasady o nazwie „precesja”. Jest to zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Kiedy szczyt zaczyna spowalniać, zatacza coraz większy krąg, tworząc kąt z powierzchnią stołu lub podłogi.

Kąt ten umożliwia siłom grawitacji na wywarcie „momentu siły„ na górze zabawki, co powoduje, że bąk nadal obraca się, jednak wyginając się w łuk. Aby zachować całkowity momentu pędu, górna precesuje postępuje tym szybciej (zmiana osi obrotu), im wolniej zabawka się obraca. To wyjaśnia, dlaczego górna powierzchnia przechyla się ku dołowi, w miarę jak tarcie spowalnia obrót. 

 

Plazmowa kula

Te szklane kule są wypełnione mieszaniną gazów szlachetnych takich jak hel, neon czy krypton utrzymywanych pod ciśnieniem  niższym od jednej setnej ciśnienia powietrza na zewnątrz. Kula w środku lampy jest elektrodą – przewodnikiem elektrycznym, który jest używany do przesyłania energii z obwodu do otaczającej próżni. Gdy lampa jest podłączona, prąd elektryczny wysokiej częstotliwości przepływa przez elektrodę, a stamtąd przechodzi przez atomy gazów otaczających ją. Prąd jonizuje atomy, nadając im ładunek elektryczny, a jednocześnie emitując błyski światła. Zjonizowany gaz jest nazywany plazmą.

Ponieważ elektrony próbują oddalić się tak daleko od siebie, jak to tylko możliwe (odpychanie się nawzajem ujemnych ładunków), “strzelają” na zewnątrz od środkowej elektrody w każdym kierunku do powierzchni szklanej kuli. Ich drogi ewakuacyjne to “nitki” prądu widoczne w lampie.

Umieszczenie dłoni w pobliżu szkła zmienia pole elektryczne, które istnieje pomiędzy centralną elektrodą a szklaną kulą, skutecznie wzmacniając siłę, która przyciąga elektrony na zewnątrz. To dlatego włókna plazmowe będą “przyciągane” przez rękę po dotknięciu kuli. Lampy plazmowe mają na tyle niską moc, że są bezpieczne przy dotykaniu.

 

Sprężynka

Na powyższym filmiku przygotowanym przez profesora Roda Crossa z Uniwersytetu w Sydney możemy zobaczyć sprężynkę w akcji.

Jeśli trzymając za górną część sprężyny (dolna zwisa swobodnie) puścimy ją,  dolna część pozostanie w bezruchu aż do momentu, gdy reszta sprężyny skurczy się,  by dopiero w zwiniętej wersji upaść na ziemię.

Najprostszym wyjaśnieniem, dlaczego tak się dzieje, jest, że na dolną część sprężyny działają dwie równoważące się siły –  grawitacja ciągnąca do ziemi oraz napięcie ciągnące w górę.  Dolna część sprężyny nie zmieni swojego położenia, dopóki nie zniknie napięcie –  czyli gdy sprężynka nie zostanie zwinięta. Fala kompresji, która niesie informacje o zniknięciu  górnej siły, musi przejść jednak przez całą sprężynę, zanim osiągnie koniec.  Dopiero wtedy będzie mogła opaść.  

 

Ptak pijący wodę

Tę zabawkę widzowie mogą znać z epizodu “Simpsonów”, gdy Homer postanowił wykorzystać zabawkę do naciskania guzika w pracy, co pozwalało mu udać się na przerwę.  W rzeczywistości jednak żeby ptak się kłaniał, konieczna jest woda w szklance.

Zabawka jest prostym „silnikiem cieplnym”, który przetwarza energię cieplną pochodzącą z wody w pracę mechaniczną.

Filcowa końcówka na dziobie ptaka musi zostać najpierw zanurzona w wodzie. Szklana kulka będąca głową ptaka jest wypełniona parą, która odparowuje z cieczy w dolnym zbiorniku – zwykle związku chemicznego o nazwie dichlorometan. Gdy dziób ptaka wychodzi z wody, zaczyna parować. Odparowanie obniża temperaturę głowy ptaka, powodując kondensację pary z dichlorometanu w brzuszku. Ponieważ cząsteczki pary zbliżają się do siebie, ciśnienie w głowie obniża się, co zasysa płyn z dolnego zbiornika do szyjki. Ciecz przepływa w górę, powodując, że górny zbiornik robi się cięższy, ptak kiwa się tam i z powrotem aż w końcu się “przewraca” powodując ponowne zwilżenie dzioba ptaka.

Następnie, ponieważ dolny koniec rury-szyjki w tym momencie wystaje ponad poziom płynu w dolnym zbiorniku, powstaje bańka pary, która porusza się w górę rurki-szyi, uwalniając z niej ciecz i spuszczając ją z powrotem do dolnej banki. Ciecz przepływa z powrotem do dolnego zbiornika, co powoduje przeniesienie wagi i przywrócenie ptaka do pionowej pozycji.

 

Magnesy

Proste i fascynujące, ale co stoi za ich właściwościami?

W normalnych warunkach pola magnetyczne elektronów skierowane są w różnych kierunkach, wzajemnie się znosząc. Jednak kiedy pola magnetyczne wszystkich elektronów w obiekcie są wyrównane w tym samym kierunku, jak to ma miejsce w wielu metalach (i oczywiście w magnesach) generowane jest pole magnetyczne. To wywiera siłę na inne obiekty magnetyczne, przyciągając lub odpychając je w zależności od kierunku własnego pola magnetycznego.

 

Baterie z ziemniaków

Zasilanie diody ziemniakiem lub cytryną ujawnia nieco o funkcjonowaniu obwodów elektrycznych. W najprostszej wersji eksperymentu należy wziąć dwa obiekty metalowe, często galwanizowane, czyli ocynkowane, gwóźdź oraz miedzianą monetę i wetknąć je w ziemniaka, oraz połączyć każdy obiekt przewodem z klipsem. Końcówki mogą być podłączone albo do multimetru, który zmierzy napięcie w obwodzie albo żaróweczki. Aby wytworzyć więcej energii do zasilania urządzeń, można połączyć ze sobą kilka ziemniaków.

Ziemniaki działają jak akumulator, generując przepływ elektronów przez przewód. Dzieje się tak, ponieważ kwas w ziemniakach wywołuje zmiany chemiczne w cynku pokrywającym gwóźdź. Kwas działa jako „elektrolit„ jonizując atomy cynku. Oddzielając elektrony od siebie, substancja pozostawia atomy dodatnio naładowane. Elektrony te są odprowadzane z dala od jonów cynku przez drut wzdłuż obwodu i kończąc w miedzianym groszu. Tutaj jony łączą się z dodatnio naładowanymi jonami wodoru ze skrobi ziemniaczanej, które zostały tam zepchnięte przez pobliskie jony cynku. Ruch tych elektronów jest wystarczający do zasilenia zegara zabawki lub żarówki.