Določitev mejne sile (energije) pri kateri balon poči
1. Spuščanje balona z različnih višin
Ker s hitro kamero nismo posneli vsakega padca balona, smo približek končne hitrosti določili kar iz začetne potencialne energije, kar je spet približek, saj nismo upoštevali zračnega upora in morda ne ravno idealen mehanizem za spuščanje balona:
$W_{p(začetna)}=mgh=W_{k(tik\,pred\,stikom)}={mv^2_{(tik\,pred\,stikom)} \over 2}$ $v_{(tik\,pred\,stikom)}=\sqrt{2gh}$Iz končne hitrosti pred trkom pa smo nato določili še približno maksimalno silo, s katero je balon deloval na podlago, in obratno. Tukaj smo vzeli približek, da je sila v času ustavljanja linearno naraščala, ker nismo opravili dejanskih meritev F(t). Glede na takšno predpostavko je maksimalna sila ravno dvakrat tolikšna kot izračunana povprečna sila. Povprečno silo, ki je delovala na balon v času stika s podlago, smo dobili iz zveze:
$F_{povp.}={\Delta G \over \Delta t}$ $F_{max.}=2F_{povp.}$Pri izračunu povprečne sile smo za spremembo gibalne količine vzeli precejšen približek, saj nismo znali določiti, kolikšno gibalno količino odnese voda, ki se razlije po poku balona. Zato smo privzeli, da to gibalno količino po poku lahko v primerjavi, z gibalno količino pred trkom, zanemarimo in je sprememba gibalne količine enaka gibalni količini tik pred trkom.
Poskuse smo izvedli pri različno napolnjenih balonih:
-
Balon, napolnjen s 4 dcl vode
Tvode = 20°C
m = 400 g
Δtpovp = 0.013 s
Višina, pri kateri balon poči (cm) Maksimalna sila (N) 110 ± 1 285.88 140 ± 1 322.52 90 ± 1 258.59 130 ± 1 310.79 110 ± 1 285.88 115 ± 1 292.31 125 ± 1 304.75 80 ± 1 243.8 115 ± 1 292.31 115 ± 1 292.31 
Pri izračunu povprečne sile smo čas ustavljanja (Δt) odčitali iz posnetkov trka balona s hitro kamero. In sicer smo snemali s 420 fps, v povprečju je trk trajal 5 do 6 slik (čas od prvega stika s tlemi pa do poka balona), kar pomeni, da je čas ustavljanja v povprečju znašal približno 0.013 sekunde.
Iz tabele razberemo povprečno maksimalno silo, potrebno, da balon poči:
Fmax. povp = 288.92(1±0.03) N
-
Balon, napolnjen s 3 dcl vode
Tvode = 20°C
m = 300 g
Δtpovp = 0.012 sVišina pri kateri balon poči (cm) Maksimalna sila (N) 180 ± 1 297.13 150 ± 1 271.24 170 ± 1 188.76 165 ± 1 284.48 190 ± 1 305.27 205 ± 1 317.1 120 ± 1 242.61 210 ± 1 320.94 215 ± 1 324.74 230 ± 1 335.87 
Čas ustavljanja (Δt), ki smo ga tudi tukaj odčitali iz posnetkov trka balona s hitro kamero, je v povprečju trajal 5 slik. Iz tega dobimo, da je čas ustavljanja v povprečju trajal približno 0.012 sekunde.
Iz tabele razberemo povprečno maksimalno silo, potrebno, da balon poči:
Fmax. povp = 298.82(1±0.06) N
Primerjava max. sile pri kateri balon poči, za balone napolnjene s 3 dcl vode in s 4 dcl vode (oznaki na grafu (3 in 2) pomenita, da sta bili 2x oz. 3x izmerjeni enaki vrednosti :
Iz zgornjih rezultatov vidimo, da je bilo pri bolj napolnjenem balonu potrebno dodati manj sile, da je balon počil (razlika je približno 10 N). Kar je povsem razumljivo, saj je bila guma že na začetku bolj napeta (večja napetost znotraj gume) in so bile posledično tudi notranje sile (kontaktne sile – deli gume delujejo drug na drugega preko stičnih ploskev) oz. gostota notranjih sil veliko večje. Torej je bilo do meje natezne trdnosti potrebno dodati manj energije.
2. Stiskanje balona
Maksimalno silo, potrebno, da balon poči, smo razbrali s pomočjo silomera, ki nam je izrisal potek sile od začetka stiskanja pa do poka balona.
-
Balon, napolnjen s 4 dcl vroče vode (gladka podlaga)
Maksimalna sila (N) 300.9 325.1 273.2 Fmax. povp = 299.73(1±0.09) N
-
Balon, napolnjen s 4 dcl hladne vode (gladka podlaga)
Maksimalna sila (N) 371.1 407.9 383.8 349.8 Fmax. povp = 378.15(1±0.06) N
-
Balon, napolnjen s 4 dcl hladne vode – groba podlaga (drobno kamenje, nalepljeno na podlago)
Maksimalna sila (N) 261.6 415.1 -
Balon, napolnjen s 3 dcl hladne vode (gladka podlaga)
Maksimalna sila (N) 433.2 378.3 384.7 Fmax. povp = 398.73(1±0.08) N
Zaradi pomanjkanja časa nam ni uspelo narediti več meritev s takšno metodo pokanja. Pri tako majhnem številu meritev pa je težko narediti kakršno koli analizo ali zaključke. Bi pa pričakovali, da bo za pok balona s 300 g hladne vode potrebna večja sila kot za pok balona s 400 g hladne vode, kar se je, glede na rezultate, tudi izkazalo za pravilno domnevo. Vendar, kot že omenjeno prej, zaradi majhnega števila meritev tega glede na naš eksperiment ne moremo z gotovostjo potrditi. Je pa precej verjetno, da se bi tudi po več meritvah pokazalo, da je pri 300 g potrebna večja sila, saj smo to delno potrdili že z meritvami pri metodi spuščanja balonov
Presenetljiva pa je bila predvsem ena meritev pri pokanju 400 gramskega balona na hrapavi (grobi) podlagi, kjer smo morali za pok balona uporabiti celo večjo silo kot pri vseh ostalih meritvah enako napolnjenega balona (400 g) z gladko podlago, čeprav bi pričakovali, da bo na takšni podlagi (hrapavi), kjer se sila porazdeli veliko bolj točkovno (ker je kamenje nazobčano in izbočeno), potrebno za pok delovati s precej manjšo silo. Zaradi samo dveh opravljenih meritev na takšni podlagi to odstopanje lahko pripišemo drugačni elastičnosti gume (kar se je pokazalo tudi pri prejšnjih meritvah) ali katerim drugim faktorjem, ki jih zaradi malo časa nismo mogli preučiti.
Preučevanje deformacije v primeru ko vodni balon ne poči
Pri stiku vodnega balona s tlemi se le-ta iz začetne hruškaste oblike postopno splošči in v stanju z najnižjim težiščem doseže obliko, ki bi jo lahko aproksimirali s sploščenim sferoidom.
Podrobneje si velja ogledati tudi vmesne deformacije. Ko je balon že v stiku s tlemi, a še ne doseže najnižjega težišča, se vzpostavi zanimiva, približno stožčasta oblika, na kateri se pojavi več kolobarjev. Za natančnejše opazovanje in analizo te stopnje deformacije balona bi potrebovali posnetek z večjo gostoto slik (fps), vseeno pa lahko zaključimo, da se ob trku balona s tlemi v tekočini vzpostavi valovanje. Pri drugi vmesni stopnji, ko balon že doseže najnižje težišče in se še vedno dotika podlage, je potek deformacije nekoliko drugačen. Valovanja ne opazimo več, oblika, v katero se razvije balon preden se dokončno odbije od podlage, pa se tudi razlikuje od oblike balona pri prvem stiku s tlemi. Na koncu je namreč hruškasta oblika balona bolj vertikalno razvita kot na začetku. Poleg tega smo opazili, da je deformacija predvsem ob koncu trka odvisna od elastičnosti materiala. Do te ugotovitve smo prišli z večkratnim ponavljanjem trka istega balona s tlemi – ob tem je guma postala bolj elastična, balon pa se je, preden je izgubil stik s podlago, razvil v obliko podobno valju z zaobljenimi robovi.