MUISTA RAPORTTI: VOIMA MUUTTAA LIIKETTÄ TIETOA JA TUTKIMUKSIA -Mitä tein? -Mitä ennustin? -Mitä tuloksia sain? -Johtopäätökseni Kappale, johon eivät voimat vaikuta pysyy paikoillaan tai liikkuu vakionopeudella suoraviivaisesti. Kun voima vaikuttaa kappaleeseen, kappale lähtee liikkeelle, lisää nopeutta tai muuttaa suuntaansa. Mitä suurempi voima on, sitä suurempi on liikkeen muutos. Esimerkiksi kovalla potkulla saat potkulaudan kulkemaan nopeammin. Mitä suurempi kappaleen massa on, sitä vähemmän liike muuttuu. Esimerkiksi jos kaverisi on potkulautasi kyydissä, et pysty kovallakaan potkulla lisäämään vauhtiasi niin paljon kuin yksin ajaessasi. Voimat esiintyvät aina voima- ja vastavoimapareina, jotka ovat yhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset. Jos kappaletta työnnetään tai vedetään, se työntää tai vetää samalla voimalla, mutta vastakkaiseen suuntaan. Kun Nano työntää seinää, niin seinä työntää myös häntä ja Nano lähtee kevyempänä liikkeelle. Jos seinä onkin kevyempi kuin Nano, se lähtee liikkeelle. 1
Tutkimuksia voimasta 1. Istu pyörälliselle tuolille ja yritä työntää seinää. Mitä tapahtuu ja miksi? 2. Asettakaa kaverisi kanssa pyörälliset tuolit vastakkain ja istukaa niihin siten, etteivät jalkanne kosketa lattiaa. Ottakaa toistenne käsistä kiinni. Sopikaa kumpi ensin yrittää saada toisen liikkeelle vetämällä tai työntämällä. Saako toisen liikkeelle siten, että itse pysyy paikallaan? Vaihtakaa toinen henkilö raskaammaksi tai kevyemmäksi. Miten tilanne muuttuu? Samaa voi kokeilla myös rullalaudoilla tai vaikkapa rullaluistimilla ja talvella jäällä luistimilla. 3.Yritä hypätä eteenpäin paikallaan olevasta keinusta. Mitä tapahtuu ja miksi? Kokeile myös talvella hypätä paikalla olevasta pulkasta tai liukurista. FYSIIKKA YMPÄRILLÄMME Biljardi Kun biljardinpelaaja lyö palloa kepillä, on oikea kosketus ratkaisevan tärkeä. Mitä enemmän käytetään voimaa pallon lyömiseen, sitä suuremman nopeuden pallo saa ja sitä pidemmälle se menee. Jos liikkuva pallo iskeytyy paikallaan olevaan palloon, törmäys saa toisen pallon liikkeelle. Usein on myös tärkeää saada pallojen törmäyksellä aikaan suunnan muutos. 2
Auto-onnettomuus Törmäys maantiellä aiheuttaa aina tuhoa. Jos vastakkain ovat henkilöauto ja perävaunullinen rekka, kohdistuu molempiin yhtä suuri voima, mutta kevyempi henkilöauto rusentuu pahemmin. Voiman mittaaminen ja mittayksikkö Voiman mittaaminen voi olla hyvinkin helppoa. Kiinnitä kuminauha esineeseen ja yritä saada se liikkeelle. Mitä enemmän kuminauha venyy, sitä suurempi voima kappaleeseen vaikuttaa. Koulussasi on varmaankin jousivaakoja, joilla voidaan mitata voimien suuruuksia. Jousivaaoissa kuminauhan tilalla on jousi, joka venyy. Jousivaa assa on mitta-asteikko, jonka yksikkönä on N. Se on lyhenne newtonista, joka on voiman mittayksikkö. Nostaessasi pöydältä Cokis-tölkin on sitä nostettava noin 3 newtonin suuruisella voimalla. Yhden kilogramman painoisen esineen nostamiseen tarvitset noin 10 newtonin suuruisen voiman. 3
Tee oma voimamittarisi Tarvikkeet: kuminauha puulevy tai pahvi punnuksia kynä Ohje: Kiinnitä kuminauha puu- tai pahvilevyn yläosassa olevaan reikään. Voimamittarin mitta-asteikko tehdään 100 g punnusten avulla. Kun 100 g punnus ripustetaan roikkumaan kumilangasta, Maa vetää sitä puoleensa 1 N:n voimalla. Kuminauha venyy näin 1 N voimaa vastaavan matkan. Venytä kuminauhaa eri massaisilla punnuksilla ja merkitse venymää vastaavat voimat asteikolle. Aseta tarvittaessa kumilankoja peräkkäin saadaksesi sopivan mittausalueen. Tutki erilaisten paperilaatujen repeämistä kuvan mukaisella koejärjestelyllä. Leikkaa jokaisesta paperilaadusta kolme kappaletta 2 cm leveitä ja 20 cm pitkiä suikaleita. Tee koe hitaasti venyttäen ja merkitse tulos muistiin. Paperin repeämiseen tarvittava voima saadaan kolmen kokeen keskiarvona. Lisätehtäviä: Kokeile, vaikuttaako paperin kestävyyteen se, onko suikale leikattu pysty- vai vaakasuorassa. Tehtäviä 1. Mikä on voiman mittayksikkö? 2. Mikä on voiman tunnus? 3. Kerro tilanteista, joissa voima muuttaa a) kappaleen muotoa, b) kappaleen liikkeen suuntaa, c) kappaleen liikkeen nopeutta. 4. Miten voimaa voidaan mitata? 5. Kerro omin sanoin, mitä tarkoittaa voima ja vastavoimapari. 6. Mitä eroa on, kun yrität hypätä ilmaan maasta tai paikallaan olevalta keinulaudalta? 7. Mitä voimanuolella esitetään? 4
8. Piko on saanut syntymäpäivälahjaksi suuren magneetin. Onko rautavaunu mahdollista saada liikkeelle kuvan mukaisella tavalla? Lisätehtäviä: 9. Millainen maailma olisi, jos kaikki voimat yht äkkiä lakkaisivat vaikuttamasta? Törmäys Törmäyksen voimakkuus riippuu kappaleiden massasta ja nopeudesta. Piko törmäsi meteoroidiin, jolloin hänen liikkeensä suunta ja nopeus muuttuivat. Myös meteoroidin liikkeen suunta ja nopeus muuttuivat törmäyksen voimasta. Jos meteoroidin massa ja nopeus olisivat olleet tarpeeksi suuret, olisi Piko litistynyt törmäyksen voimasta. Jos taas meteoroidin nopeus ja massa olisivat olleet pienemmät kuin Pikon vastaavat, olisi törmäys vaikuttanut enemmän meteoroidin liikkeeseen, eikä Piko olisi päässyt takaisin alukseensa. Tutkimuksia marmorikuulilla 1. Anna paikallaan olevalle marmorikuulalle pieni tönäisy. Mitä tapahtuu ja miksi? Mitä tapahtuu, jos käytät enemmän voimaa? Seuraavia kokeita varten pyöritä paperista putki, jonka avulla sinun helppo suunnata kuula oikeaan osoitteeseen. Suuntaa putki ja pudota kuula putkeen vierimään. Voimaa saat säädeltyä vaihtelemalla pudotuskorkeutta. 2. Aseta kynä lattialle. Vieritä marmorikuula hiljaa kohti poikittain olevaa kynää. Mitä havaitset? Kokeile eri nopeuksilla. Mitä tapahtuu ja miksi? 3. Toista edellinen, mutta pidä nyt kiinni kynästä. Mitä tapahtuu ja miksi? 4. Aseta marmorikuula lattialle ja vieritä toinen kuula sitä kohti siten, että ne törmäävät. Mitä tapahtuu ja miksi? Kokeile eri nopeuksilla. Mitä havaitset? Aseta kaksi kuula kiinni toisiinsa ja vieritä kolmas kuula törmäämään. Mitä havaitset? 5. Yritä saada kaksi marmorikuulaa törmäämään toisiinsa samalla nopeudella. Mitä tapahtuu ja miksi? 6. Jos sinulla on raskaampi kuula, niin toista edelliset kokeet. Mitä havaitset? 5
Lisätehtäviä: 7. Taivuta pahvinpala kaarelle ja työnnä marmorikuula liikkeelle pahvin reunaa pitkin. Mihin suuntaan kuula jatkaa matkaansa pahvin jälkeen? 8. Miten lähettäisit marmorikuulan matkaan, että selviytyisi alla olevasta radasta? 7. 8. Raketti Potkurilentokone lentää eteenpäin työntämällä ilmaa taaksepäin ja samalla ilma työntää konetta eteenpäin. Avaruudessa ei ole ilmaa, joten raketti käyttää kiihdyttämiseensä omaa pakokaasuaan. Kun raketti työntää pakokaasuja taaksepäin, pakokaasut työntävät ja kiihdyttävät rakettia eteenpäin. Tee oma rakettisi Tarvikkeet: pieni paperipussi pitkä juomapilli teippiä värikynät ohutta narua tai lankaa kaksi tuolia pitkä ilmapallo Ohje: Piirrä pussin sivulle raketti. Teippaa pilli pussin pitkälle sivulle. Pujota naru pillin läpi. 6
Pingota naru tiukkaan kahden tuolin väliin. Aseta ilmapallo pussin sisälle ja puhalla siihen ilmaa, pidä kiinni ilmapallon suusta, ettei ilma karkaa. Lähtölaskenta voi alkaa. Mikä saa raketin liikkeelle? Voiman tunnus ja voimanuoli Fysiikassa voiman tunnus on F (force). Voimien vaikutusta kuvataan voimanuolilla. F Voimanuoli kertoo a) mihin kappaleeseen voima vaikuttaa, b) kuinka suuri voima on, c) mihin suuntaan voima vaikuttaa. F Nuoli F on piirretty tölkkiin, sillä se kuvaa käden tölkkiin kohdistavaa voimaa. 7
Isaac Newton Englantilainen Isaac Newton (1642-1727) on kaikkien aikojen merkittävimpiä tiedemiehiä. Hänen saavutuksensa fysiikassa, matematiikassa ja tähtitieteessä loivat perustan nykyaikaiselle luonnontieteelliselle maailmankuvalle. Newton tutki Kuun ja planeettojen liikkeitä ja oivalsi, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. Hän selitti, miten vetovoima pitää planeetat Aurinkoa kiertävillä radoillaan. Tutkimustensa perusteella Newton muotoili yleisen vetovoimalain. Se kuuluu peruslakeihin, joiden mukaan maailmankaikkeus toimii. Newton muotoili kolme liikelakia (ks. voima ja liike) ja oivalsi, miten ne voidaan ilmaista matemaattisesti. Vuorovaikutus aiheuttaa voiman Kun juttelet ystäväsi kanssa, olet hänen kanssaan vuorovaikutuksessa. Kun sinä puhut, vaikutat ystävääsi ja hän vuorostaan vaikuttaa sinuun ilmeellään ja vastauksellaan. Kun kappaleet törmäävät koskettavat tai hankaavat, ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Vuorovaikutuksessa on aina kaksi osapuolta ja sen vaikutukset voidaan havaita molemmissa samanaikaisesti. Voima ja vastavoima syntyvät kappaleiden välisestä vuorovaikutuksesta. Nanon tönäistessä Pikoa he olivat vuorovaikutuksessa keskenään. Kun potkaiset jalalla vauhtia potkulaudalle, ovat jalkasi ja Maa vuorovaikutuksessa keskenään. Jalan ja Maan vuorovaikutuksesta aiheutuu, että jalka työntää Maata ja Maa työntää jalkaa ja samalla potkulautaa eteenpäin yhtä suurella mutta vastakkaissuuntaisella voimalla. Maa ei liiku taaksepäin, koska sen massa on niin suuri. Jos yrität potkaista vauhtia pahvin päältä, on jalkasi vuorovaikutuksessa pahvin kanssa. Pahvi lähtee se kevyempänä liikkeelle, etkä sinä pääse mihinkään. Kokeile. 8