PAINOVOIMA JA TASAPAINO TIETOA JA TUTKIMUKSIA MUISTA RAPORTTI: -Mitä tein? -Mitä ennustin? -Mitä tuloksia sain? -Johtopäätökseni Vetovoima Kun kappaleen päästää irti, se putoaa maahan. Putoamisen saa aikaan Maan vetovoima. Se on voima, joka vetää kappaleita toisiaan kohti. Kahden kappaleen välillä on aina vetovoimaa. Kahden kappaleen välisen vetovoiman vaikutus riippuu niiden välisestä etäisyydestä sekä kappaleiden koosta ja massasta. Vaikka kaikki kappaleet vetävätkin toisiaan puoleensa, voi tämän vetovoiman havaita vasta, kun toinen kappale tai molemmat kappaleet ovat hyvin suuria - kuun, planeetan tai auringon kokoisia. Vetovoimaa on paitsi Maassa siis myös Kuussa. Auringon vetovoima puolestaan vetää Maata ja muita planeettoja puoleensa ja pitää ne radoillaan. Painovoima Maan aiheuttamaa vetovoimaa kutsutaan painovoimaksi. Sen suuruuteen vaikuttaa kappaleen massa. Painovoima pienenee, mitä korkeammalle Maan pinnasta erkaannutaan. Kuun painovoima Painovoima Kuussa on pienempi kuin maassa, koska Kuu on paljon pienempi ja vähämassaisempi kuin Maa. Ihminen painaa Kuussa noin kuudenneksen siitä, mitä hän painaa Maassa, joten hyppääminen on Kuun pinnalla paljon helpompaa kuin maankamaralla. 1
Painopiste Painopisteeksi sanotaan pistettä, johon koko kappaleen massa näyttää keskittyneen. Esimerkiksi pallon ja muiden säännöllisten kappaleiden painopiste on niiden keskellä. (Edellyttäen, että kappale kokonaisuudessaan samaa ja yhtä tiheää materiaalia) Kappale pysyy tasapainossa, jos sitä tuetaan painopisteestä tai suoraan sen alapuolelta. Tutkimuksia tasapainosta Kolikon poiminta Nojaa seinään siten, että selkäsi on suorana ja kantapäät kiinni seinässä. Sijoita kolikko noin 30 cm etäisyydelle kengän kärjistä. Nosta raha maasta siten, että polvesi ovat koko ajan suorana. Miksi rahan poimiminen onnistuu/ epäonnistuu? (vastaus: painopiste siirtyy kumartuessa) Palikoiden pinoaminen Pinoa puupaloja päällekkäin siten, että päällimmäinen pala on mahdollisimman kaukana alimmaisesta palasta. Jalan nosto Nojaa vasemmalla kyljelläsi seinään siten, että selkäsi on suorana. Pidä olkapää kiinni seinässä ja nosta oikeaa jalkaasi kuvan mukaisesti ylöspäin. Kuinka korkealle jalan voi nostaa? Miksi horjahdat helposti oikealle? 2
Kaatuminen erilaisia pikkupalikoita, pyyhekumeja ym. lauta tai paksu pahvi kynä ja sinitarraa Kiinnitä lautaan tai pahviin kynä tai muu vastaava tueksi kuvan mukaisesti. Aseta tutkittavat kappaleet laudan päälle ja nosta laudan toista päätä hitaasti ylöspäin. Tutki, mikä kappale ja missä asennossa kaatuu helpoimmin. Mikä vaikuttaa kaatumiseen? Tasapainossa Korkillinen pullo korkista tehty korkki cocktailtikku kaksi varrastikkua kaksi sinitarrapalloa Tutki kuvan mukaisesti, löydätkö tasapainon helposti. Lisätehtäviä Tutki, miten tikkujen nostaminen tai laskeminen vaikuttaa tasapainoon. Entä jos toinen pallo on painavampi? FYSIIKKA YMPÄRILLÄMME Sillanrakennus Tasapainottavat voimat ovat hyvin tärkeitä rakentamisessa. Esimerkiksi sillat on rakennettava niin, että ne romahtamatta kannattavat oman ja raskaan liikenteen painon. Alaspäin suuntautuva Maan vetovoima täytyy siis tasapainottaa ylöspäin suuntautuvilla voimilla. 3
Yksinkertaisin on palkkisilta. Maatuet kannattavat sitä kummastakin päästä. Kaarisillassa siltarakenteen kaarevuus siirtää painon kummassakin päässä oleville tukirakenteille. Riippusillassa painoa kannattavat vaijereiden ja silta-arkkujen pystysuuntaiset voimat. Palkkisilta Kaarisilta Riippusilta Painopiste ajoneuvoissa Isoissa ajoneuvoissa kaatumisen estämiseksi pyörät sijoitetaan kauas toisistaan ja moottori alas, jotta painopiste saadaan mahdollisimman alas. Laivojen ja rekkojen lastaamisessa on otettava huomioon, ettei lasti pääse liikkumaan, sillä painopisteen äkillinen siirtyminen saattaa jopa kaataa laivan tai auton. 4
Tehtäviä 1. Kuinka suurella voimalla 100 gramman massainen kappale vetää Maata puoleensa. 2. Mistä kahden kappaleen välinen vetovoiman suuruus riippuu? 3. Miksi painovoima Kuussa on pienempi kuin Maassa? 4. Kuorma-auton lavalle lastataan lautoja, styrox-levyjä, eristevillaa, naulalaatikoita ja tiiliä. Mihin järjestykseen tavarat pitäisi lastata ja miksi? 5. a) Piko ja Nano vetävät kelkkaa vastakkaisiin suuntiin yhtä suurilla voimilla. Mihin suuntaan kelkka liikkuu ja mikä on kokonaisvoiman suuruus? b) Piko vetää kelkkaa omaan suuntaansa 5 newtonin voimalla ja Nano omaan suuntaansa 8 newtonin voimalla. Mihin suuntaan kelkka liikkuu ja mikä on kokonaisvoiman suuruus? c) Piko ja Nano vetävät kelkkaa samaan suuntaan. Piko 6 newtonin ja Nano 7 newtonin voimalla. Mihin suuntaan kelkka liikkuu ja mikä on kokonaisvoiman suuruus? 6. Ripustat takkisi naulakkoon. Mikä voima estää takkiasi putoamasta lattialle? Lisätehtäviä: 7. Mistä vuorovesi-ilmiö johtuu? 8. Mihin aikaan kuukaudessa vuorovesi on voimakkain? 9. Mikä merkitys on painopisteellä? 10. Mitä tapahtuisi, jos painovoima yht äkkiä lakkaisi olemasta? Painovoimatutkimuksia voimamittarisi tai jousivaaka 100 gramman kappale sinitarraa tai muovailuvahaa muki vettä 1. Punnitse voimamittarillasi tai jousivaa alla kappale jonka massaksi on merkitty 100 grammaa. Olet saanut selville, kuinka paljon kappale painaa. Merkitse tulos muistiin newtoneina. 2. Tee sinitarrasta möhkäle ja punnitse, kuinka paljon se painaa. Merkitse tulos muistiin. 3. Kaada mukiin vettä niin, että möhkäle peittyy kokonaan. Punnitse möhkäle vedessä. Mitä havaitset? Maata kiertävät satelliitit Kun tietoliikennesatelliitti lähetetään kantoraketin avulla Maata kiertävälle radalle, miksi se ei vain pyyhällä kauas avaruuteen? Miksi se ei putoa takaisin Maahan, kun se irtautuu raketista? Kantoraketin satelliitille antama työntövoima vie satelliittia Maasta poispäin. Satelliitin nopeus ei kuitenkaan riitä viemään sitä Maan vetovoiman ulottumattomiin. Satelliitin nopeus hidastuu ja se alkaa kaartaa kohti Maata. Kovan nopeuden ansiosta satelliitti ei ehdi pudota Maahan, koska Maa kaartuu aina alta pois. Näin satelliitti päätyy Maata kiertävälle radalle. 5
Kaksi voimaa pitää siis satelliitin kiertävällä radalla. Toinen voima, raketin antama työntövoima työntää sitä avaruuteen ja toinen voima, Maan vetovoima vetää sitä Maata kohti. Nämä kaksi voimaa ovat yhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset, näin satelliitti pysyy radallaan. Satelliitit kiertävät tehtävänsä mukaisesti eri korkeuksilla ja eri nopeuksilla. Kauempana Maasta on pienempi painovoima, joten satelliitin nopeus on myös pienempi, kuin lähellä Maata kiertoradallaan olevalla satelliitilla. Matalalla eli noin 400 kilometrin korkeudella kiertävän satelliitin nopeus on noin 8 km/s. Se kiertää Maan noin puolessatoista tunnissa. Kuu, uskollinen kiertolaisemme on Maan luonnollinen satelliitti. Se kiertää Maapalloa vajaan 400 000 km päässä, joten sillä riittää nopeudeksi 1 km/s. Kiertoajanhan tiedät - se on kuukausi, noin 29,5 vuorokautta. Tee oma satelliittisi 120 cm pitkä naru tai paksu lanka sinitarraa tai muovailuvahaa kirjevaaka noin 15 cm:n pätkä muoviputkea, halkaisijaltaan 1-2 cm 1. Kiinnitä narun toiseen päähän 20 gramman sinitarrapallo. Pujota naru putken läpi. 2. Kiinnitä narun toiseen päähän saman kokoinen sinitarrapallo painoksi. 3. Ota kiinni putkesta ala pyörittää satelliittiasi pääsi päällä. Löydä satelliitille sellainen nopeus, että sen säde pysyy noin metrin mittaisena. 4. Tee vetovoimasta suurempi, eli vaihda painoksi noin 80 gramman sinitarrapallo. 5. Vedä satelliitti puolen metrin päähän putkesta. 6. Nosta putki taas pääsi päälle ja pyöritä sellaisella nopeudella, että säde pysyy puolen metrin mittaisena. Vertaa satelliitin nopeutta metrin säteellä kulkevan satelliitin nopeuteen. Mitä havaitset? 6
Painottomuus Astronautit ja kaikki tavarat näyttävät leijuvan vapaasti avaruusaluksessa. Kansanomaisesti sanotaan kyseessä olevan painoton tila. Näin ei kuitenkaan ole sillä Maan vetovoima ulottuu äärettömän kauas. Painottomuuden tunne johtuu sitä, että avaruusaluksessa olevat ihmiset putoavat aluksensa kanssa yhdessä koko ajan maata kohti. Alus ei putoa Maahan, sillä sen nopeus on niin suuri ja Maan pinta kaartuu koko ajan alta pois. Tosi kovalla vauhdilla alaspäin putoavassa hississä voit tuntea painosi vähenevän. Hypätessäsi alas, vaikkapa penkiltä, tunnet itsesi hetken ajan painottomaksi. Painottomuustutkimuksia Seiso tuolilla raskas koulureppu kädessäsi käsi suorana. Tunnet selvästi sen painavan. Hyppää käsi suorana lattialle ja tunnustele ilmalennon aikana, miltä laukku tuntuu. Pulloavaruussukkula tyhjä ja huuhdeltu 1,5 litran virvoitusjuomapullo pieni nukke tai esine, joka mahtuu pullon suuaukosta sisään. Laita pieni nukke tai esine pulloon ja heitä avaruussukkulaasi ilmaan. Tarkkaile matkustajan liikettä sukkulan sisällä. Mitä havaitset? Tasapainottavat voimat Jos mitään ei tapahdu, kun voima vaikuttaa kappaleeseen, toisen voiman täytyy tasapainottaa voimaa. Esimerkiksi köydenvedossa Piko ja Nano saattavat vetää ilman minkäänlaista vaikutusta, jolloin köysi pysyy paikallaan. Syynä on se, että Nano ja Piko ovat yhtä vahvoja ja vetävät vastakkaisiin suuntiin yhtä suurella voimalla. Voimat kumoavat toisensa. Silloin puhutaan tasapainosta. 7
Voimien yhteisvaikutus Jokainen kappale on aina vuorovaikutuksessa usean muun kappaleen kanssa, jolloin siihen vaikuttaa useita voimia. Näitä ei kuitenkaan huomata, jos kappaleelle ei tapahdu mitään muutoksia. Ajattele vaikka suurta laatikkoa, jota neljä hölmöläistä yrittää työntää. Kukin samalla voimalla, mutta jokainen laatikon eri sivusta. Mitään ei tapahdu. Mutta, jos joku vähän hellittää, laatikko liikkuu hänen suuntaansa. Kokonaisvoima Jos polkupyörään kohdistuvat vastakkaissuuntaiset voimat ovat yhtä suuret, kokonaisvoima on nolla. Jos polkupyörään kohdistuvat vastakkaissuuntaiset voimat ovat erisuuret, kokonaisvoima ei ole nolla. Kokonaisvoiman suunta on suuremman voiman suuntainen. Jos polkupyörään kohdistuvat voimat ovat samansuuntaiset, kokonaisvoima on voimien summa. 8
Tutkimuksia voimien yhteisvaikutuksista 1. Työnnä pulpettia. Mitä tapahtuu? Piirrä tilanteesta kuva, jossa näkyy voimanuoli. 2. Työntäkää kaverisi kanssa pulpettia vastakkaisista suunnista niin, että pulpetti pysyy paikoillaan. Piirrä tilanteesta kuva, jossa näkyy voimanuolet. 3. Työnnä nyt kaverisi kanssa pulpettia vastakkaisista suunnista siten, että pulpetti kuitenkin liikkuu. Piirrä tilanteesta kuva, jossa näkyy voimanuolet. 4. Työnnä kolmen kaverisi kanssa pulpettia joka nurkasta niin, että se pysyy paikoillaan. Sopikaa kuka laskee yht äkkiä irti. Mitä tapahtuu? Vaakatutkimuksia 1. Punnitse itsesi yhdellä vaa alla ja merkitse tulos muistiin. 2. Seiso sitten mahdollisimman tasaisesti toinen jalka toisella ja toinen toisella vaa alla. Merkitse vaakojen lukemat muistiin. 3. Muuta asentoasi siten, että painosi on pääasiassa toisen jalan varassa, muttei kokonaan. Merkitse vaakojen lukemat muistiin. 4. Mitä voit tutkimuksesi perusteella päätellä kokonaisvoimasta ja kummassakin kahden vaa an tapauksessa vaikuttavista voimista. Puhalluskisa Tarvitset pingispallon, pahvia ja sinitarraa laitojen pöytään kiinnittämiseen. Tee pahvista kuvan mukainen pelikenttä ja haasta kaverisi puhallusotteluun. Kolmiorakenne Jos kolme voimaa on tasapainossa, voimapiirros muodostaa kolmion. 9
Kestävä muoto tutkimus paksua pahvia haaraniittejä sakset kynä ja viivain Leikkaa pahvista 2 cm levyisiä ja 20 cm levyisiä suikaleita. Tee suikaleista niiteillä kiinnittäen kuvan mukaisia muotoja ja tutki miten hyvin ne säilyttävät muotonsa. Mitä havaitset? Lisätutkimuksia Kestävä silta 30 paksua mehupilliä, askartelunorkoja, teippiä Tee pilleistä mahdollisimman kestävä vähintään 20 cm pitkä silta. Askartelunorkojen avulla voit liittää pillit toisiinsa helposti kulmittain. Esittele aikaansaannoksesi muille. Tukivoima Kun istut tuolilla, työnnät painollasi tuolia alaspäin. Jotta tuoli ei hajoa, sen täytyy työntää ylöspäin painosi suuruisella voimalla. Toisin sanoen Maan vetovoima vetää sinua alaspäin täsmälleen yhtä suurella mutta vastakkaissuuntaisella voimalla, kuin tuolin tukivoima työntää sinua ylöspäin. Jos tuoli yllättäen hajoaa, pienenee näin tuolin tukivoima ja putoat lattialle, koska painovoima on nyt suurempi kuin tukivoima. 10
Kestävä tanko tutkimus A4-paperiarkkeja leikattuna pitkittäin kahtia teippiä painoja 2 pinoa kirjoja kynä viivain Tee neljä erilaista tankoa kuvan mukaan. Käytä teippiä. Tee kirjoista yhtä korkeat pinot, jotta voit kokeilla tankojen kestävyyttä. Tutki, mikä tangoista kestää parhaiten painoa. Voit asettaa painon tangon päälle, muuta myös roikkumaan siitä. Kelluminen Kun nostat kiveä veden alla, se tuntuu kevyeltä. Voimasi eivät suinkaan kasva vedessä, vaan syynä on se, että vesi auttaa sinua nostamisessa kannattaen osan kiven painosta. Tätä kannattavaa voimaa sanotaan nosteeksi. Noste on yhtä suuri kuin kappaleen (eli kiven) syrjäyttämän nestemäärän (eli vesimäärän) paino. Tämä on Arkhimedeen laki. Noste pitää vettä kevyemmät esineet pinnalla. Kappale kelluu, kun noste on yhtä suuri kuin kappaleen paino. Kappale uppoaa, kun sen paino on suurempi kuin noste. Kelluminen riippuu tiheydestä, eli kuinka tiukkaan aine on kappaleeseen pakkautunut. Metallilevy uppoaa, koska sen paino on suurempi kuin sen syrjäyttämän veden paino eli noste. Mutta jos metallilevyistä muotoillaan laiva, se kelluu, koska ontto sisätila kasvattaa laivan tilavuutta. Tällöin laiva syrjäyttää yhtä paljon vettä, kuin se itse painaa. Laivatutkimus : Astia, jossa on vettä noin 5-10 cm Muovailuvahaa tai sinitarraa Marmorikuulia tai jotain muuta vastaavaa lastiksi 1. Kokeile pysyykö muovailuvahaklöntti pinnalla. Mitä tapahtuu ja miksi? 2. Tee muovailuvahasta laiva, joka kelluu. Miksi laivasi kelluu? Lisätehtävä Lastaa laivaasi mahdollisimman monta marmorikuulaa. Muotoile laivaasi niin, että saat kantaa vielä enemmän kuulia. 11