PADEC V VODO


UVOD IN OPIS POSKUSA

TEORIJA

Preučevali smo kaj se zgodi, ko pade kroglica v vodo. Ko kroglica pade v vodo, povzroči valovanje na vodni gladini. To je posebna oblika valovanja, ki ni transverzalno (prečno), niti longitudinalno (vzdolžno). Nastane zaradi težnostnega nihanja delcev vode, podobno kot niha matematično ali nitno nihalo.

Izvir valovanja je lahko enkratna motnja (v našem primeru so to žogice, ki jih vržemo v vodo). Od izvira valovanja se oddaljujejo s hitrostjo c. Podobno kot longitudinalni, transverzalni ali svetlobni valovi (elektromagnetni valovi) se tudi valovi na kapljevini odbijajo in uklanjajo na ovirah. Lahko se lomijo, podobno kot svetloba, če se spremeni hitrost valovanja - npr. zaradi spremembe globine vode. V kolikor je izvirov valovanja več, se valovi seštevajo (interferenca valov).

Za razliko od transverzalnega vala na napeti vrvi, se val na vodi lahko širi v vse smeri. Smer širjenja valovanja v vodi določa valovni žarek. Označimo ga s puščico. Greben ali dolino vala shematsko ponazarja valovna črta (imenovana tudi valovna fronta). Razdalja med dvema valovnima črtama je valovna dolžina.

Smer valovnih žarkov in oblika valovne črte sta odvisna od oblike izvira. Če je izvir valovanja točkast, se širi val v obliki koncentričnih krogov kot kaže slika. Valovni žarki gredo radialno iz središča kroga, kjer je izvir motnje, valovne črte so koncentrični krogi, ki se oddaljujejo od središča kroga.

Slika predstavlja valovne žarke (puščice) in valovne fronte (koncentrični krogi).

Z aerodinamično obliko želimo doseči čim manjši upor pri gibanju skozi zrak, vodo ali druge tekočine. Takšno aerodinamično obliko imajo tudi ptice in ribe. Poleg oblike je upor precej odvisen tudi od hitrosti in je pri večjih hitrostih precej večji. Upor je odvisen tudi od vrste tekočine, v kateri se gibljemo. Vemo, da se težje gibljemo v vodi kot po kopnem.

Opazovali smo obnašanje kroglic različnih velikosti (radijev) in gostot, ko padejo v vodo. Očitno je bilo, da moramo kroglice razdeliti v dve skupini: tiste, ki plavajo (njihova gostota je manjša od gostote vode) ter tiste, ki potonejo (njihova gostota je večja od gostote vode). Pri plavajočih kroglicah smo se odločili, da bomo merili njihovo amplitudo nihaja, ko padejo v vodo oziroma, kako globoko se potopijo, preden se pričnejo dvigovati nazaj proti površju. Pri tistih, ki potonejo pa smo merili čas, ki ga porabijo, da pridejo do dna. Oboje v odvisnosti od radija in gostote. Izmed kroglic, ki so nam bile na razpolago v različnih velikostih ter različnih materialih kot so les, plastika, kovina, guma in drugi smo izbrali primerne za naš poskus. Najprej smo jih označili s številkami, nato pa vsako stehtali ter jim s kljunastim merilom izmerili premer. Iz premera in mase smo nato izračunali volumen in gostoto. Glede na gostoto (gostota vode je 1 g/cm3), smo jih razdelili v dve skupini. Izmed 25 kroglic jih je bilo 14 takih, ki v vodi plavajo in 11 takih, ki potonejo.

Tabela 1: V tabeli ena so žogice oštevilčene, zraven sta izmerjena masa in premer ter izračunana volumen in gostota. Žogice, ki so v rdečem, so podvojene in jih iz tega razloga nismo uporabili v eksperimentu.

PRIPOMOČKI

POTEK POSKUSA

Uporabljali smo velik prozoren valjast plastičen rezervoar. Pomembno je bilo, da vse kroglice spuščamo z enake višine, zato smo ob njem sestavili kovinsko stojalo, na katerega smo pritrdili prijemalko za epruvete. Tako smo lahko poljubno nastavili višino, s katere smo spuščali kroglice ter jih s pomočjo prijemalke konsistentno spuščali iz iste višine. Ob strani rezervoarja smo postavili dve navpični merili z vodoravnimi črtami. Eno je imelo 1cm debele črte, drugo pa 3cm.

Zato, da bi lahko potapljanje podrobno izmerili, smo uporabili visoko-hitrostno kamero, ki je snemala z 240 slikami na sekundo. Postavili smo jo pred rezervoar na polovično višino, pod njo pa reflektor, ki je osvetljeval rezervoar, da se je na posnetku bolje videlo. Nato smo rezervoar napolnili z vodo, tako, da je bila višina vode od dna rezervoarja do njene gladine 64,9 cm.

Kroglice smo spuščali eno po eno nad sredino rezervoarja s pomočjo prijemalke, pritrjene na stojalu, z višine 23,6 cm  in jih sproti pobirali ven. Vsako kroglico smo posneli dvakrat. Ob merilo smo pripeli številko trenutne kroglice, da se jo lahko identificira na posnetku. Najprej smo posneli vse plavajoče kroglice, nato pa tiste, ki potonejo. Videe smo prenesli na računalnik in jih nato analizirali ter iz njih, glede na merilo ob rezervoarju, razbrali potrebne podatke.

UPORABA PROGRAMSKE OPREME

Posnetke je bilo seveda treba tudi analizirati. To smo storili z uporabo programske opreme LoggerPro, ki nam je omogočila, da smo si posnetek ogledali sličico po sličico in s pomočjo merila ob valju tako izračunali hitrost in pospešek žogice v vsakem trenutku.

OPOMBE

Rezultati bi bili preglednejši, če bi lahko imeli eno od spremenljivk (radij ali gostoto) konstantno, vendar nismo imeli ustreznih kroglic. Lahko bi tudi poskusili kako se rezultati spremenijo (so odvisni od), če jih spuščamo z različnih višin, vendar tega zaradi časovne omejitve nismo naredili.

OPAZKE

Med merjenjem smo opazili tudi nekaj zanimivih stvari. Med potapljanjem kroglice za seboj povlečejo zračni mehur, katerega velikost in čas trajanja sta odvisna od lastnosti kroglice. Nekatere kroglice so med potapljanjem tudi zavile, kar je najverjetneje posledica vrtenja, ki ga je včasih povzročila spustitev iz prijemalke ter morebitnih manjših nesimetričnosti.