Niewinna zabawka i jej zagadkowe właściwości

Każdy wie jak wygląda sprężyna. Pod tą nazwą można zakupić zabawkę, którą znam już z czasów mojej młodości – kolorowa sprężyna, którą spuszczało się ze schodów lub przekładało między dłońmi. Ostatnio, przeglądając programy naukowe, znalazłem niezwykle ciekawy eksperyment, który prezentuje niespodziewaną właściwość tejże zabawki – chwilową lewitację. Jeśli posiadasz gdzieś w szufladzie tą zabawkę to zachęcam by samemu sprawdzić, jak pozornie prosty przedmiot „łamie” prawa fizyki.

Sprzęt

– Zabawkowa sprężyna

Wykonanie (UWAGA: poproś o pomoc osobę dorosłą)

Doświadczenie należy wykonywać w dwie osoby, aby każdy miał możliwość, by zauważyć zjawisko. Jedna z osób powinna stanąć na drabinie lub na balkonie i powoli opuszczać sprężynę (trzymając jej drugi koniec), tak by po rozwinięciu nie dotykała ziemi. Mój egzemplarz zabawki po rozwinięciu sięgał 3 pięter (ok. 10 m). Wystarczy by sprężyna przestała się kołysać i można rozpocząć eksperyment. Druga osoba ma za zadanie obserwować koniec sprężyny opuszczony w stronę ziemi. Teraz „uwalniamy” drugi koniec sprężyny, by spadła na ziemię. Obserwator w tym czasie przypatruje się drugiemu końcowi zabawki. Efekt jest zdumiewający, koniec sprężyny znajdujący się na górze spada ściągany w dół siłą grawitacji, dolny koniec w tym czasie pozostaje w miejscu. Dopiero w momencie złożenia sprężyny cała zabawka zaczyna spadać na ziemię!

Wyjaśnienie

Gdy opuścimy z pewnej wysokości przedmiot, to zaczyna na niego działać siła grawitacji – przedmiot zaczyna spadać, aż „wyląduje” na ziemi. Jednak w naszym eksperymencie pojawia się druga siła, tj. siła sprężystości. Siła ta odpowiedzialna jest za powrót odkształconego ciała do pierwotnego kształtu lub objętości. W tym szczególnym przypadku naszą siłą odkształceniową jest siła grawitacji, która rozciągnęła sprężynę. W momencie upuszczania górnego końca sprężyny siła sprężystości była w równowadze z siłą grawitacji. W uproszczeniu możemy zmierzyć tą siłę posługując się prawem Hooke’a:

F= – kx

(gdzie k oznacza współczynnik sprężystości przedmiotu, a x wychylenie sprężyny).

Prawo Hooke’a określa zależność odkształceń od naprężeń. Zabawkowa sprężyna potrafi „skumulować” dużą energię sprężystości, co wynika z dużego rozciąnięcia. Wystarczy by przez chwilę przeciwdziałać grawitacji. Gdy sprężyna podróci do pierwotnego kształtu zaczyna spadać na ziemie jak każdy przedmiot. Ale ta krótka chwila jest naprawdę cenna… Życzę udanych lotów:-)

 

Autor: Łukasz Wyka