Veletrh nápadů učitelů fyziky 17
Létáš, létám, létáme ZDENĚK ŠABATKA KDF MFF UK v Praze; Gymnázium Nový Porg, Praha Demonstrace existence vzduchu patří k běžným fyzikálním experimentům. Tento příspěvek představí vědeckou hračku, která využívá proudění vzduchu a ve světě je známá jako walkalong glider. Jedná se o křídlo, které může díky jednoduchému „triku“ létat sice pomalu, ale teoreticky neomezenou dobu. Hračku si v jednodušší verzi může vyrobit každý žák základní školy. Budou demonstrována jednodušší papírová i složitější polystyrénová křídla. Součástí příspěvku budou i návody na výrobu těchto letounů, stejně jako metodické materiály. Hračku je možno využít jak při povídání o vzduchu a větru, tak při „prostém“ hraní na zájmovém kroužku.
Proč věci létají A co to vlastně znamená, že věci létají? Víme, že jde o stav, kdy se jakýmsi způsobem brání klasické situaci, která se děje v tíhovém poli Země po puštění tělesa, tj. volnému pádu. K tomu, aby těleso padalo pomaleji, nepadalo vůbec, nebo dokonce stoupalo, je potřeba síla, která by působila proti tíhové síle. Zde nám částečně pomáhá odpor prostředí. Ve školách učíme, že u letadel je další síla dána rozdílem tlaků nad a pod křídlem. Díky tomu, že nad křídlem proudí vzduch rychleji než pod ním, tak je zde nižší tlak a na křídlo působí vztlaková síla. Je-li křídlo nakloněno, pak další síla, která napomáhá stoupání letadla, je složkou síly, kterou naráží vzduch na křídlo. Další možností je využití vzdušných proudů, kterých využívají především větroně. Tento princip využijeme k demonstraci rovněž my. K bezmotorovému létání jsou využívány dva typy stoupavých vzdušných proudů. Jednak jde o proudy způsobené ohřevem vzduchu od horké země a dále pak o stoupající vzduch, který vzniká narážením větru na kopce. V našich experimentech použijeme vzduchu, který je uveden do pohybu vzhůru „nárazem“ na kopec. V přírodě se pohybuje vzduch. Skála, či půda mu nedovolí jít rovně dál a proto se pohybuje po svahu vzhůru. My můžeme učinit něco jiného. Jelikož pohyb je, jak učíme, relativní a ve třídě je většinou (nejsou-li zrovna otevřená okna a není průvan) vzduch v klidu, budeme postupovat obráceně. Stoupající vzduch nevytvoříme nárazem vzduchu na skálu, ale nárazem skály na vzduch. Kopec či skálu simulujeme knížkou formátu A4 nebo větším kartonem. Jednoduše řečeno, budeme prorážet vzduch nakloněným kusem desky. Vzduch se bude vůči desce pohybovat, a to povětšinou nahoru. Žáci jistě mají zkušenost s prohrnováním sněhu. Tento příklad můžeme použít jako model. Sníh po hrablu stoupá vzhůru, a pokud jej neodhodíme, přepadne přes něj. Zajímavé efekty pozorujeme rovněž při jízdě automobilem. Je-li čelní sklo pokryto kapkami vody a my stojíme, či jedeme pomalu, kapičky stékají zvolna po skle dolů. Začne-li však auto zrychlovat, začnou kapičky svůj pohyb zpomalovat, poté se zastaví a následně začnou po skle „běhat“ vzhůru. Je to dáno si-
282
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 lou, kterou na kapičky působí vzduch, a která je úměrná rychlosti vzájemného pohybu vzduchu a skla automobilu (v experimentu nahrazeného kartonem).
Letadélko Když se řekne, že model letadélka bychom si měli vyrobit sami, většina z nás si pravděpodobně vzpomene na klasickou „vlaštovku“ z papíru. Na internetu nalezneme množství návodů na různé typy jejich konstrukcí, které jsou většinou doplněny snahou autora vysvětlit, proč zrovna ta jeho konstrukce je nejlepší. Tento příspěvek předkládá čtyři varianty v angličtině nazývaných walkalong gliders, tedy volně přeloženo kluzáků, podél kterých při jejich letu jdeme (viz obr. 1, 2). Inspiraci a materiály jsem při přípravě čerpal především z internetových stránek zabývajících se tvorbou vlastních vědeckých hraček [1].
Obr. 1. Let rotujícího křídla.
Obr. 2. Let větroně.
Rotující křídlo (thumble wing) Nejsnadnější na výrobu jsou pravděpodobně rotující křídla. K jejich přípravě se hodí: papír s nízkou gramáží (např. z telefonního seznamu, časopisu, …), pravítko, propiska s ostřejším hrotem, lepicí páska a nůžky.
Obr. 3. Rotující křídlo z jednoho kousku papíru.
Obr. 4. Rotující křídlo vzniklé spojením dvou papírků. 283
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 Pozn.: Ostřejší hrot propisky pomůže při výrobě nejen naznačením čáry, ale dokáže papír po několikerém přejetí narušit natolik, že nemusíme papír (funguje především u listů z telefonního seznamu) stříhat nůžkami, ale jde jej krásně roztrhnout podél nakreslené čáry. Strany papírků se tak dají vyrobit velmi rovné. Z jednoho proužku papíru Na obrázku 3 jsou znázorněna dvě křídla: model vyrobený vystřihnutím předlohy (obr. 5, nahoře) a křídlo poskládané z papíru z telefonního seznamu. Tato verze, i když je jednoduchá na stříhání papíru, vyžaduje trochu trpělivosti při skládání. Snadno se může stát, že napoprvé vám nebude létat rovně a budete si muset hrát se správným zahnutím hran. Výroba: Vystřihneme/vyřízneme proužek papíru o velikosti 5 × 21 cm. Na papírek si vyznačíme čtyři obdélníky (viz obr. 5, nahoře). Podél delších hran jsou obdélníky široké 1 cm a dlouhé 17 cm, podél kratších je jejich šířka 2 cm a délka 5 cm. Opět je dobré využít ostřejší propisku, ta způsobí, že se nám bude papír lépe ohýbat. Provedeme čtyři ohyby v místech čar, které jsme nakreslili (na šabloně vyznačeny čerchovaně). Na protějších stranách ohýbáme papírek vždy na opačnou stranu. Ostré hrany přehybu se snažte mít pouze na vyznačených čarách. Nejobtíženější je tvarovat papírek v místech, kde se ohyby setkávají (viz obr. 3).
1 cm
přesah 30 mm
dolů
Rotující křídlo - otevřená pusa
přesah 30 mm
rozměr 4,5 cm × 23 cm rozměr 4,5 cm × 23 cm
přesah 30 mm
přesah 30 mm
přesah
přeloženo z anglického originálu http://sciencetoymaker.org
30 mm
Obr. 5. Zmenšené šablony pro výrobu rotujících křídel.
284
místa přehybů
Převzato z anglického originálu http://www.instructables.com/id/Walkalong-Glider-Made-from-Phone-Book-Paper/
nahoru
21 cm
Rotující křídlo
5 cm
1 cm
dolů
Rotující křídlo (model)
nahoru
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 Ze dvou proužků papíru Druhou možností je vyrobit rotující křídlo ze dvou proužků papíru (obrázek 4), v našem případě s rozměrem 4,5 × 23 cm (šablona na obrázku 5, dole). Tyto dva proužky k sobě přiložíme tak, že je dáme přes sebe a poté podél delší hrany posuneme o 3 cm. Budou se tak překrývat pouze na dvaceti centimetrech. V místě, kde se kratší hrana papírku dotýká druhého, je slepíme malým kouskem (např. 1,5 × 1,5 cm) lepicí pásky. Stejnou věc provedeme symetricky i na druhé straně. S množstvím pásky to nepřeháníme a snažíme se použít stejně velké kousky, aby bylo křídlo vyvážené. Hodit je „umění“ Žákům občas dělá problém křídlo správně vypustit. U křídla z jednoho papíru jej stačí poprvé prostě pustit volným pádem a ono se samo roztočí a napoví nám, jak jej příště vypustit. Křídlo uchopíme do jedné ruky mezi prsty za dlouhý ohnutý kraj tak, aby byla jeho delší hrana přibližně ve vodorovné poloze, a kraj, za který jej držíme, směřoval vzhůru. Neházíme daleko, ale křídlo podtrhneme – jako bychom mávali způsobem odpovídajícím slečnám z prvorepublikových filmů. Představíme-li si oba způsoby rotace křídla podél podélné osy (na obr 5. nahoře odpovídá dlouhé vodorovné šipce udávající rozměr křídla), zjistíme, že se co do velikosti aerodynamického odporu značně liší. Naším cílem je odhodit křídlo tak, aby snadno proráželo vzduch. Způsobem popsaným výše by se nám to mělo povést. Více než mnoho slov řekne video provedení [2]. Obdobným způsobem vypouštíme rotující křídlo vytvořené ze dvou papírků. Držíme jej za jeden papírek a odhodíme jej při lehkém podtrhnutí (viz videa na [1]).
Model větroně Blíže se výše zmíněnému větroni přiblížíme modelem vyrobeným z polystyrénu, který se na první pohled velmi podobá obyčejné papírové vlaštovce.
Obr. 6. Dva různé modely větroně.
Obr. 7. Detail prohnutí křída.
Zde budou představeny dvě různé konstrukce (obrázek 6) – jednak verze klasické, ve které se projeví i aerodynamické prohnutí křídla (obrázek 7), a rovněž na stavbu jednodušší tzv. zubaté křídlo, jehož křídla jsou plochá, neprohnutá. 285
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 Kde získat tenký polystyrén Pro výrobu letadélka potřebujeme tenké plátky polystyrénu. Ty vyrobíme poměrně snadno. Nejprve si z velkého kusu polystyrénu (např. zbytky z obalů elektroniky, velké desky prodávané ve stavebninách, …) vytvoříme kvádr o rozměrech podstavy přibližně 10 × 20 cm. Polystyrén řežeme pomocí rozžhaveného drátu. Osobně jsem použil nejtenčí kytarovou strunu (e, průměr cca 0,23 mm), pro napájení pak regulovatelný DC zdroj (autobaterie s reostatem, školní zdroj,…). Ze zkušenosti lze říci, že struna získá potřebnou teplotu při procházejícím proudu cca 1,5 A. Pro řezání tenkých rovných plátků je dobré použít řezačku (obrázek 8). Do většího prkénka upevníme kolmo dva šrouby (ve vzdálenosti alespoň 25 cm) a přes ně napneme jednu či několik strun, vždy v jisté vzdálenosti od sebe (nastavujeme pomocí závitů šroubů). Zdroj napětí připojíme ke šroubům, zapneme zdroj a sunutím po prkénku protlačíme polystyrén přes rozžhavené dráty.
Obr. 8. Řezačka polystyrénu. Výroba Pro výrobu polystyrénových křídel jsou nutné šablony (obrázek 10). Postup výroby je u obou křídel v hlavních bodech stejný. Šablonu vystřihneme a na označených místech přilepíme kouskem pásky k polystyrénu. Nyní podle šablony vystřihneme polystyrén, ale zatím nestříháme v místech přilepení. Dále ohýbáme papír na určených místech (čárkované úsečky s popiskem „zde přeložit“). Překládáme přes papír (polystyrén se pak neláme) a přes pevnou hranu - osvědčený způsob je vložit část křídla do silnější knihy, srovnat zvolené místo ohybu s okrajem listů knihy, knihu zavřít a šablonu s polystyrénem přehnout (obrázek 9).
Obr. 9. Tvarování větroně. U polystyrénového větroně je třeba navíc tvarovat prohnutí křídla (obrázek 9). K tomuto účelu jsou na šabloně vyznačeny tři zóny. Tvarujeme každé (levé i pravé) křídlo zvlášť, vystřižený polystyrén již s přilepenou šablonou opřeme o knihy a pře-
286
Veletrh nápadů učitelů fyziky 17 jíždíme např. tužkou po oblastech 1, 2, 3. Správný profil křídla pak lze zkontrolovat pomocí papírků vystřižených ze šablony.
zde přeložit
výškové kormidlo
3 2 1
1
natočení výškového kormidla
35°
3 2 1
oň ětr na) v ý l ra ma dní st o (sp
3 2 1
profil křídla (spodní)
zde přeložit
výškové kormidlo profil křídla (horní)
3 2 1
přelo http:/ ženo z a n /scie nceto glického o yma ker.o riginálu rg
3 2 1
3 2 1
měděný drátek pro větroň (zátěž na nos) 225 °
Polystyrénová deska: 10 cm × 20 cm
http://www.youtube.com/watch?v=Y7d3xfDoiEQ
vytvořeno na základě originálu převzatého z http://sciencetoymaker.org
16,5 cm
zde přeložit
Thompsonovo zubaté křídlo (spodní strana)
výškové kormidlo
zde přeložit
lepicí páska
lepicí páska
Polystyrénová deska: 10 cm × 20 cm
Předloha pro polystyrénového větroně
zde přeložit
měděný drátek pro křídlo (zátěž na nos)
lepicí páska
http://www.youtube.com/watch?v=JzyFw8bnvP8
zde přeložit prohnutí křídla
150°
vytvořeno na základě originálu převzatého z http://sciencetoymaker.org
kontrola profilu
210°
prohnutí křídla
Předloha pro polystyrénové zubaté křídlo
lepicí páska
u
ál
in ig or g ho .or ké r ic ake l g an ym z to o ce en en ož ci el ://s ř p ttp h
výškové kormidlo
K tomu, aby větroň / zubaté křídlo dobře letělo, je navíc třeba na špičku letadla přidat zátěž. Tu může tvořit například kousek měděného drátku, který připevníme lepicí páskou (obrázek 6, 7). Klouzání letadélka vzduchem je velikostí zátěže velmi ovlivněno, chce to proto věnovat čas na nalezení správné velikosti a tvaru „zobáčku“. Natažený a dlouhý kousek drátu způsobí hladký let, letadélko však k zemi padá rychle. Naopak malý, případně ohnutý kousek způsobí, že letadélko nepadá tak rychle, ale jeho pohyb je „trhaný“. Chce to proto najít zlatou střední cestu. Je dobré, pokusí-li se žáci toto chování vysvětlit – i když samozřejmě pouze kvalitativně.
Obr. 9. Zmenšené šablony pro výrobu polystyrénových křídel.
Závěr Představené aktivity byly vyzkoušeny v praxi a zatím se vždy u dětí setkaly s pozitivním ohlasem. Žáci v nich mohou formou hry získat nové dovednosti a poznatky. Věřím, že i ve Vašich hodinách si letadélka naleznou svoje místo.
Literatura [1] http://www.sciencetoymaker.org [cit. 12.9.2012] [2] http://www.instructables.com/id/Walkalong-Glider-Made-from-Phone-BookPaper/ [cit. 12.9.2012]
287
