Fizyka 
 
Spiner - okiem fizyka
Melin

Spiner – zabawka która pozwala zając czymś palce zdobyła ostatnio ogromną popularność i można na nią trafić niemal wszędzie. Dlaczego więc nie można by na nią trafić na lekcji fizyki, podczas prostych i dość widowiskowych demonstracji.

Mody ostatnio spinner, jest zabawką która pozwala na zabawę wykraczającą poza to o czym myśleli jej autorzy. Po pierwsze – spinner pozwala na obserwację efektu żyroskopowego – ciekawego zjawiska które wymyka się intuicji a wynika z tego, że ruch obrotowy także jest charakteryzowany pewnym rodzajem wektora - wektorem prędkości kątowej – którego kierunkiem jest oś obrotu. Ostrzegałem, że będzie nieintuicyjnie.

 

Obracająca się ze stałą prędkością kątową bryła sztywna, może się tak obracać w nieskończoność pod warunkiem że nie wytraci energii kinetycznej ruchu obrotowego zamieniać ją w inny rodzaj energii (w jojo – w potencjalną, a przy oporach powierza albo oporach na łożyskach osi – na ciepło). Aby zmienić wartość prędkości wirowania, musimy zadziałać momentem siły – to wydaje się jeszcze OK. W końcu wiemy jak się hamuje. Jednak zaskoczyć może to, że także zmiana kierunku wirowania – wymaga działaniem momentu siły. Siły która napotyka na dziwnego rodzaju bezwładność, która zależy nie tylko od masy, ale także od prędkości wirowania. Abu zaobserwować ten efekt wystarczy spróbować przechylić trzymany w palcach rozkręcony spinner, obserwując jak jego reakcja zmienia się w miarę jego hamowania.

 

Jeśli mamy lampkę biurową z diodami LED, lub mamy do dyspozycji latarkę z regulowaną siła świecenia opartą na diodach LED – możemy przy pomocy spinnera zaobserwować efekt stroboskowpowy. Jeśli obracającą się bryłę oświetlimy światłem migającym z określoną częstotliwością – możemy zobaczyć pewne stałe struktury jeśli częstość obrotów będzie zgodna z częstością błysków. Zjawisko to najlepiej obserwować używając prawdziwego stroboskopu – emitującego bardzo silne ale bardzo krótkie błyski, jednak nawet przy pomocy zwykłej lampki biurowej z „żarówką” LED – możemy zauważyć, pojawianie się dziwnych powoli obracających się rozet na rozmazanych od szybkiego wirowania skrzydełkach spinnera.

 

Do ostatniego eksperymentu będziemy potrzebowali zwojnicę z cienkiego miedzianego drutu oraz kilka silnych magnesów. Zwojnica powinna być w miarę płaska i zawierać kilkaset zwojów drutu o średnicy 0.12 – 0.2mm. Zwojnicę taką możemy przygotować samodzielnie. Na kawałek pręta lub rurki PCV o średnicy 10-15mm nakładamy dwa kawałki tektury lub laminatu tak by utworzyć coś w rodzaju szpulki. Rurkę montujemy w głowicy wkrętarki i nawijamy drut. Drut musi być izolowany – najlepiej w izolacji lakierowej – tka zwany drut nawojowy emaliowany (oznaczany DNE + średnica, na przykład DNE015). Po nawinięciu ostrożnie zsuwamy uzwojenie z rurki i związujemy je nitką oraz zabezpieczamy klejem. Końcówki drutu dobrze jest przylutować do jakiegoś w miarę trwałego gniazda – na przykład typu goldpin. Do tego gniazda – przygotowujemy obciążenia prądowe:

  • diodę świecącą
  • dwie diody świecące połączone antyrównolegle
  • niewielką żaróweczkę od latarki kieszonkowej.
Jako spinner – najlepiej nadaje się taki z trzema łożyskami – bo można do nich bezpośrednio przyczepić magnesy.

Dysponując sześcioma płaskimi magnesami neodymowymi, możemy umieścić je po dwa na każdy skrzydle spinnera w taki sposób, by były ustawione antyrównolegle – to znaczy tak, by z który jeden miał biegun północny, a drugi południowy. Na poszczególnych skrzydłach spinnera umieszczamy magnesy tak, by obracając się pojawiały się pod wybranym miejscem magnesy ustawione na przemian. Teraz stawiamy spinner na stole i rozkręcamy go do tak wysokich obrotów do jakich jesteśmy w stanie. Pozostawiony w spokoju będzie się obracał przez kilkadziesiąt sekund.

Teraz ponownie rozkręcamy spinner, ale zbliżamy do niego zwojnicę. Na razie niczego nie podłączamy. Spinner nadal obraca się swobodnie. Jeśli jednak podłączmy do cewki diodę świecącą – przy zbliżaniu cewki do wirujących magnesów – dioda się zaświeci, a spinner zacznie wyraźnie zwalniać. Jeszcze krótszy czas wytracania prędkości zaobserwujemy gdy podłączymy do cewki żaróweczkę, lub gdy zewrzemy końce drutu. Jest do efekt hamowania elektrodynamicznego spowodowanego tym, że indukowany w cewce prąd, także będzie wytwarzał pole magnetyczne, które będzie hamowało obracające się magnesy. Oczywiście by uzyskać ten efekt prąd musi płynąc. Prąd indukowany przez okresowo zmienne pole magnetyczne – będzie prądem zmiennym o takim samym okresie. Jeśli będziemy hamowali spinner tylko przez połowę okresu – jak w przypadku diody – hamowanie będzie mniej skuteczne niż przy zwarciu cewki. Poza tym na diodzie świecącej występuje spadek napięcia, który także ogranicza wartość płynącego prądu.

 

Na koniec zagadka: jeśli obciążymy naszą cewkę dwoma diodami podłączonymi antyrównolegle – to znaczy tak, by w ujemnej części okresu świeciła jedna, a w dodatniej – druga, możemy zauważyć, że jedna z diod świeci silniej niż druga. Dlaczego?

 
Opinie
 
Facebook
 
  
2447 wyświetleń

numer 7/2017
2017-07-02

Od redakcji
Elektronika
Felieton
Film
Informatyka
Kącik poezji
Matematyka
Prawo
Rozmaitości
Wakacje

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net