Najszybsza zjeżdżalnia A3.pdf

Najszybsza zjeżdżalnia

Po jakim torze powinna toczyć się kulka, aby pokonać

drogę między dwoma punktami w najkrótszym cza-

sie? To pytanie postawione w 1696 roku miało być wy-

zwaniem dla najlepszych ówczesnych matematyków.

Odpowiedź posłużyła budowniczym mostów, promów

kosmicznych oraz przyczyniła się do stworzenia naszego

eksponatu.

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

Trochę teorii

Cykloida jest krzywą, którą zakreśla punkt położony na kuli lub okręgu (lub tak jak na rysunku na oponie koła rowerowego)

toczącym się bez poślizgu. Brachistochrona, zwana też krzywą najszybszego spadku, jest fragmentem cykloidy

o różnym kształcie. Paradoksalnie

wyścig wygrywa zawsze kulka stacza-

jąca się po najdłuższym torze – cyklo-

idzie. Doświadczenie pokazuje wła-

sności tajemniczej krzywej intrygującej

matematyków żyjących w XVII wieku.

Eksperyment, który można przepro-

wadzić na naszej wystawie, ilustruje

następujące zagadnienie: jaki kształt

powinien mieć tor, po którym stacza

się punkt materialny pod wpływem

siły grawitacji, aby pokonać odległość

między dwoma punktami w najkrót-

szym czasie?

Naszym punktem materialnym jest

stalowa kulka, a punkt początkowy

i końcowy wędrówki wyznaczają końce

równi pochyłej. Wynik doświadczenia

przeczy naszej intuicji. Kulka przeby-

wająca najdłuższą drogę przebywa ją

w najkrótszym czasie. Tor, po którym

się porusza, ma kształt cykloidy od-

wróconej do góry nogami.

Cykloida jest krzywą, którą zakre-

śla punkt na obwodzie koła toczą-

cego się jednostajnie po linii prostej.

Wyobraźmy sobie, że na oponie koła

rowerowego malujemy farbą kropkę

i śledzimy jej ruch podczas jazdy ro-

weru po płaskiej ścieżce. Krzywa, którą

zakreśla kropka, to właśnie cykloida

(patrz: rysunek powyżej).

Spróbujmy przeanalizować ruch

kulki na dwóch zjeżdżalniach – linii

prostej (równi pochyłej) i cykloidzie.

Obie zjeżdżalnie startują z tej samej

wysokości, a więc umieszczając kulki

na szczytach równi, nadajemy im takie

same energie potencjalne. Podczas

ruchu w dół energie potencjalne kulek

maleją, a rosną ich energie kinetyczne,

czyli te związane z prędkością. Docho-

dzi do zamiany energii potencjalnej

w kinetyczną. Ponieważ podnóża oby-

dwu równi znajdują się też na tych sa-

mych wysokościach, energie potencjal-

ne obu kulek również muszą być tam

równe. Zgodnie z zasadą zachowania

energii energie kinetyczne kulek muszą

być sobie równe na końcu drogi. Masy

kulek są jednakowe, więc ich prędkości

u podnóża równi są takie same. Kulka

staczająca się po dłuższym torze uzy-

skuje jednak większą prędkość średnią

i wygrywa wyścig. Zysk na prędkości

z nadwyżką kompensuje wydłużenie

drogi. W jaki sposób możemy wyjaśnić

wynik doświadczenia?

Ruch kulek spowodowany jest skła-

dową siły ciężkości równoległą do toru.

Na równi ma ona stałą wartość, a więc

zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona

kulka uzyskuje stałe przyspieszenie (patrz:

rysunek poniżej) – jej prędkość jednostaj-

nie wzrasta. Na cykloidzie napędzająca

składowa siły ciężkości ze względu na

kształt toru się zmienia. Kulka na po-

czątku ruchu bardzo szybko zwiększa

prędkość, aby w następnej fazie – pod-

czas jazdy „pod górkę” – stopniowo ją

zmniejszać. Duży zysk prędkości, jaki

kulka uzyskuje na początku toru, decy-

duje o tym, że wygrywa wyścig.

Si łą nadającą przyspie s zenie kołu na równi pochyłej jest składowa (F) siły ciężkości

(Q). Na równi wartość F j e st stała i zależy tylko od pochyłości α. Na cykloidzie

wartość siły spychającej F zależy od pu n ktu, w którym znajduje się koło, wobec

tego prz y spieszenie koła nie jest stałe. N – to siła dociskająca koło do powierzchni

równi, a T jest siłą tarcia o podłoże

T rzy kulki toczą się w dół po torach

O historii

poruszać się kulka, aby jak najszyb-

ciej połączyć dwa punkty w przestrze-

ni, postawił szwajcarski matematyk

Johann Bernoulli. W 1696 roku rozesłał

on prośbę o rozwiązanie tej zagadki

do „najwybitniejszych matematyków

na świecie”, jednocześnie ustalił ter-

min – sześć miesięcy – na nadesłanie

rozwiązania.

Na pytanie postawione przez Ber-

noulliego odpowiedzi nadesłało czte-

rech matematyków. Byli to Izaac New-

ton, Gottfried Leibniz, Guillaume de

L’Hôpital oraz Jakob Bernoulli – brat

autora zagadki. Byli to najwybitniejsi

ówcześni uczeni.

Rozwiązaniem okazała się krzywa

zwana cykloidą. Krzywa ta od dawna

intrygowała matematyków ze wzglę-

du na wiele ciekawych własności ma-

tematycznych. Ma ona wiele przy-

datnych zastosowań praktycznych,

np. w technice budowy mostów. Już

Galileusz, od którego pochodzi jej

nazwa, wskazywał, że cykloida jest

łukiem najbardziej wytrzymałym na

obciążenia. Dlatego też wiele mostów

ma cykloidalne arkady.

Zagadnienie brachistochrony, czy-

li krzywej najkrótszego czasu spadku,

Cykloida to krzywa, która ma wiele praktycznych zastosowań. Jedno z nich już

dawno temu zauważyli budowniczowie mostów. Konstrukcja mostów, których

arkady mają cykloidalny kształt, jest bardziej wytrzymała na obciążenia

zapoczątkowało rozwój obszernej dzie-

dziny matematyki zwanej rachunkiem

wariacyjnym. Metody wariacyjne są z po-

wodzeniem wykorzystywane w wielu

dziedzinach fizyki, od zagadnień związa-

nych z ruchem satelitów aż po znajdywa-

nie funkcji falowych, które opisują rozkład

chmury elektronowej w cząsteczce.

Współczesne zastosowania

właściwie fragment cykloidy do

góry nogami. Matematycy nazywają

ją często brachistochroną. Nazwa,

którą zaproponował Jakob Bernoulli

pochodzi od greckich słów: brachistos

– najkrótszy, chronos – czas. Właści-

wości brachistochrony często są wy-

korzystywane w praktyce: na przykład

do planowania toru lotu promów

kosmicznych, aby osiągnęły wyma-

ganą wysokość w najkrótszym czasie,

zużywając przy tym jak najmniejszą

ilość paliwa. Także piloci samolotów

ponaddźwiękowych posiłkują się tą

krzywą w nawigacji.

W mechanice precyzyjnej w celu

zminimalizowania poślizgu brachisto-

chrona wykorzystywana jest w kon-

strukcji kół zębatych w przekładniach

mechanicznych.

Brachistochronę – krzywą

najszybszego spadku

– wykorzystuje się do

planowania toru lotu

promów kosmicznych.

Na zdjęciu: start promu

kosmicznego Atlantis

z 12 czerwca 2001 roku

P ytanie o tor, po którym powinna

K rzywa najszybszego spadku to

A to ciekawe

czasu spadku jest w matematyce

nazywane zagadnieniem brachisto-

chrony. Brachistochronę determinują

następujące czynniki: punkt początko-

wy, końcowy, pole sił, w którym po-

rusza się ciało (np. siła grawitacji, siły

lepkości, tarcia itd.), oraz tzw. warunki

początkowe (czyli np. czy poruszające

się ciało ma prędkość początkową).

Cykloida jest jedną z brachistochron,

dla której zakłada się brak tarcia i opo-

rów ruchu, a jedynym polem sił jest

jednorodne pole grawitacyjne.

Jeżeli nasz eksponat umieściliby-

śmy w wodzie, w której są duże opory

Niektóre rampy

dla deskorolkarzy

lub miłośników

łyżworolek (tzw.

halfpipey) są

w przekroju

poprzecznym

cykloidami

Nieważne, z którego punktu cykloidy

rozpoczniemy wędrówkę. Zawsze

dotrzemy do punktu B w tym samym

czasie. Drogi M 1 B i M 2 B, mimo że różnej

długości, pokonamy w tym samym czasie

ruchu, cykloida nie byłaby już krzywą

najkrótszego czasu spadku.

Cykloida ma też interesującą wła-

ściwość fizyczną. Okazuje się, że czas

potrzebny poruszającemu się po niej

ciału na osiągnięcie punktu końcowe-

go nie zależy od wybranego położenia

początkowego. Drogi M 1 B i M 2 B po-

konane zostaną w jednakowym czasie

(patrz: rysunek). Z powodu tej ciekawej

właściwości cykloida nazywana jest

także izochroną lub tautochroną.

Ta cecha cykloidy oznacza, że gdyby-

śmy stworzyli wahadło, którego ramię

zakreślałoby cykloidę, to otrzymaliby-

śmy urządzenie, dla którego czas peł-

nego wahnięcia nie zależy od wielkości

wychylenia. Tę niezwykłą właściwość

zauważył już w 1659 roku holenderski

matematyk, fizyk i astronom Christiaan

Huygens i wkrótce została ona wyko-

rzystana na statkach, na których ze

względu na przechyły wahadła zega-

rów odchylały się raz mocniej, raz sła-

biej. Standardowe zegary wahadłowe

w tych warunkach były bezużyteczne,

ale te oparte na ruchu cykloidalnym

tykały miarowo.

Więcej doświadczeń

Z internetu

Można jednak posłużyć się arku-

szem kalkulacyjnym. Tworzymy cztery

kolumny: alfa, alfa _ rad, X i Y. Kolumnę

alfa wypełniamy liczbami od 0 do 360

ze skokiem co 5. Liczby te określają kąt

pełnego obrotu toczącego się koła.

Ponieważ funkcje trygonometryczne

sin oraz cos są liczone dla kątów w ra-

dianach, przeliczamy więc kąt podany

w kolumnie alfa na radiany:

alfa _ rad=alfa×0,01745

Trzecia i czwarta kolumna to liczby

określające współrzędną X i Y punktu

należącą do cykloidy i aby je wyliczyć,

korzystamy ze wzorów:

X=R(alfa– sin alfa) i Y=R(1– cos alfa),

gdzie R to promień koła zakreślającego

cykloidę, a alfa to kąt, jaki zatoczyło

koło w radianach. Dla uproszczenia

przyjmijmy, że R=1. Po wypełnieniu

wszystkich komórek robimy wykres

Y(X), czyli na osi x odkładamy liczby

z kolumny X, a na osi y liczby z ko-

lumny Y. Powstała krzywa to właśnie

cykloida. Przygotowany wykres mo-

żemy wykorzystać do ukształtowa-

nia zjeżdżalni. Przygotuj dwa tory

w kształcie cykloidy i sprawdź, czy

puszczone z różnych wysokości kulki

spadną w jednakowym czasie.

Co to jest brachistochrona

http://pl.wikipedia.org/wiki

Brachistochrona i matematyka

www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~hi-

story/HistTopics/Brachistochrone.

html

Jak powstaje cykloida

http://mathworld.wolfram.com/

Cycloid.html

Cykloida i inne krzywe

www.mimuw.edu.pl/delta/artykuly/

delta0206/zegarmistrz.pdf

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

www.kopernik.org.pl

Z agadnienie krzywej najkrótszego

N arysowanie cykloidy nie jest proste.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: