Экспериментальная работа «Маятник-художник».
На уроках математики мы знакомились с понятием время и рассматривали различные виды часов. Нас заинтересовали маятниковые часы и мы решили узнать, какую роль играет маятник в часах, как ещё можно использовать маятник?
Цель исследования: изучить роль маятника в часах и применить особенности его движения в создании различных изображений.
Задачи исследования:
- познакомиться с историей изобретения маятниковых часов узнать принцип работы маятниковых часов, изучая дополнительную информацию провести эксперименты и сделать выводы
По существу, маятник – это просто качающийся груз. Кажется, простейшая вещь, однако на протяжении веков она серьёзно интересовала учёных. Маятник оказался пригоден для многого: от измерения времени до измерения силы тяжести.
Маятник – важнейшая часть механизма часов, которые так и называются – маятниковыми. Колебания маятника в них различны: в больших настенных часах он, например, качается раз в две секунды, а в маленьких это может происходить два раза в секунду. Ритм зависит от длины самого маятника. Поскольку колебания маятника всегда одинаковы по времени, эту закономерность можно использовать, чтобы обеспечить постоянную скорость стрелкам часов.
«Двигатель» маятниковых часов – это вес гири, медленно опускаемой спусковым механизмом. При раскачивании маятника раздвоенный рычаг (палета) двигается взад-вперёд, при этом на короткий миг освобождается зубчатое анкерное колесо и позволяет ему поворачиваться на одну ступень. Анкерное колесо соединено при помощи шестерёнок с осями стрелок часов так, что они двигаются вместе с ним. Когда гиря опускается до самой нижней точки, часы останавливаются, и их нужно завести, то есть перетянуть гирю наверх, чтобы они вновь начали идти. Чем длиннее маятник, тем больше времени занимает каждое колебание. Маятник длиной 99 см совершает колебания раз в секунду.
Одним из первых, кто занимался исследованием маятника, был великий итальянский учёный Галилео Галилей (1564-1642). Он впервые заинтересовался маятниками в 1582 году, когда ещё подростком обратил внимание на то, как качается на длинной цепи люстра в Пизанском соборе. Сравнивая ритм колебания со своим пульсом, Галилей обнаружил, что, независимо от амплитуды движения и веса, они всегда качаются взад и вперёд с одинаковым интервалом. Такое раскачивание называется «изохронным». Позже Галилей обнаружил, что время раскачивания маятника зависит от его длины: оно тем медленнее, чем длиннее маятник.
Первые маятниковые часы были построены гениальным голландцем Христианом Гюйгенсом в 1656 году.
Описание эксперимента.
Оказывается, у маятника не обязательно должна быть только одна ось. Маятник, состоящий из двух соединённых между собой частей, называется составным. Кривая простого маятника – это простые петли, составной маятник рисует сложные петли, или «фигуры Лиссажу», что продемонстрирует наш эксперимент с красой. Математики иногда называют движение маятника гармоническим колебанием, так что «рисующий» маятник можно назвать гармонографом.
Оборудование:
Пластиковый стаканчик. Дырокол. Верёвка. Булавка. Скотч. Краска на водной основе. Большой лист бумаги. Газета.Ход эксперимента.
При помощи дырокола проделаем в краю стаканчика три отверстия и проденем сквозь них верёвку. В дне стаканчика булавкой сделаем отверстие. Заклеим отверстие скотчем. К штативам натянем верёвку, к которой привяжем верёвку со стаканчиком. Накроем стол газетой. Положим лист белой бумаги под стаканчиком. Наполним стаканчик краской. Оттянем стаканчик в сторону и отклеим скотч. Стаканчик свободно раскачивается в течении минуты, краска капает вниз, образуя узоры. Затем остановим стаканчик и заклеим отверстие.Траектория колебания нашего маятника с красой показывает, как он двигался.
Экспериментируя с маятником, мы заметили, что если его толкнуть не вниз, а, например, вбок, то стаканчик будет не колебаться, а вращаться по кругу или овалу. Мы узнали, что такие колебания называются сложными. Они получаются, когда грузик (стаканчик) начинает колебаться сразу по разным направлением с разным временем одного колебания. И интересней они получаются, когда в одном направлении уже начались колебания, а в другом—немного отстали.
Оказывается, существует таблица таких колебаний:
Описание модели сложного движения маятника.
Для этого нужно взять нитку, сложить ее пополам, а к середине привязать еще одну нитку. К другому концу нитки нужно прикрепить грузик – и маятник готов. Вертикальная нить подвеса должна быть достаточно длинной. По крайней мере не меньше, чем нить наклонного подвеса. Теперь подвесим маятник за оба конца сложенной пополам нитки на какую-нибудь основу. Отклонив такой маятник от положения равновесия и затем отпустив, мы увидим движение по эллипсу, который будет постоянно меняться, вытягиваясь то в одну, то в другую сторону. Для того, чтобы увидеть фигуры, вдоль которых движется наш маятник, подвесим стаканчик с краской. Тогда маятник «нарисует» отчетливую траекторию своего движения.
Выводы.
Исследуя маятник, мы изучили информацию по этой теме и узнали, кто впервые исследовал свойства маятника и создал первые маятниковые часы. Мы поняли, насколько сложно устройство этого механизма, несмотря на внешнюю простоту. Наши первые исследования маятника позволили нам создать интересный маятник-художник, который можно использовать как средство для создания необычных изображений. Причём, изображения всегда получаются неожиданными и разными. Одно из таких изображений мы использовали в качестве эмблемы нашего научного «Кружка Почемучек». В дальнейшем мы планируем продолжить работу по изучению маятника.
