MUISTA RAPORTTI: LIIKETTÄ VASTUSTAVAT VOIMAT TIETOA JA TUTKIMUKSIA -Mitä tein? -Mitä ennustin? -Mitä tuloksia sain? -Johtopäätökseni Kitka Kitka on kahden toisiaan hankaavan kappaleen vuorovaikutuksesta syntyvä voima. Kitkaan vaikuttavat tekijät Kitka syntyy kahden pinnan välisestä hankauksesta. Sitä esiintyy, koska mikään pinta ei ole täysin sileä. Pintojen vähäisimmätkin karkeudet takertuvat toisiin niiden puristuessa yhteen. Mitä karheampia pinnat ovat, sitä enemmän on kitkaa. Pinnan laadun lisäksi kappaleen massa vaikuttaa kitkan suuruuteen, sen sijaan hankaavien pintojen koolla ei ole merkitystä kitkan suuruuteen. Laatikon ja alustan välillä on yhtä suuri kitka laatikon ollessa pysty- tai vaakatasossa. Kenkätutkimuksia 1.Sido kuminauha tai valmistamasi voimamittari kenkään ja yritä hitaasti vetämällä saada kenkä liikkeelle. Mikä voima vastustaa liikkeelle lähtöä? Mittaa kuinka paljon voimaa tarvitaan ennen kuin kenkä liikkuu. 2. Kokeile eri kengillä. Mitä havaitset? 3. Kokeile samalla kengällä, mutta eri alustoilla. Mitä havaitset? 1
FYSIIKKA YMPÄRILLÄMME Vesiliukumäki Märkä uimapuku puristuu tiukasti kuivan liukumäen pintaa vasten ja saa aikaan suuren kitkavoiman. Vesiliukumäessä virtaava vesi tekee ohuen vesipatjan liukujan ja mäen väliin - vesi voitelee ja kitka pienenee. Meteori Hankaus kuumentaa kappaleita. Syöksyessään Maan ilmakehään meteori hankautuu kitkan vuoksi niin kuumaksi, että se alkaa hehkua ja palaa. Hehkuvan kiven lähettämä valo nähdään tähdenlentona. Rakenna helikopteri Tarvikkeet: sakset, paperia, klemmari Ohje: Leikkaa A4-paperista kuvan mukainen kuvio. Taivuta roottorit eri suuntiin ja kiinnitä klemmari painoksi helikopterin alapäähän. Pudota mahdollisimman korkealta. Ota aikaa kuinka kauan helikopterin matka kestää. Laske kopterin keskinopeus. Lisätehtäviä: Rakenna erikokoisia laitteita, löydä paras. Rakenna erilaisia helikoptereita ja tutki niiden ilmanvastusta. Esittele tutkimuksesi tulokset muille. 2
FYSIIKKA YMPÄRILLÄMME Laskuvarjo Kun laskuvarjo aukeaa, ilmanvastus hidastaa hyppääjän putoamista, koska kitkavoima on suurempi kuin hyppääjän paino. Nopeuden hidastuessa kitkavoima vähenee, kunnes se on yhtä suuri mutta vastakkaissuuntainen kuin hyppääjän paino. Tämän jälkeen hyppääjä leijuu tasaisella nopeudella Maan pinnalle. Autojen muotoilu Autoilun alkuaikoina riitti, että autolla pääsi eteenpäin hitaasti mutta varmasti. Nykyään vauhti ja polttoaineen säästö ovat nousseet merkitseväksi autojen tuotekehityksessä. Virtaviivainen kalamainen muoto vähentää ilmanvastusta ja näin myös energiantarvetta - polttoainetta kuluu vähemmän. Kilpa-autoissa virtaviivaisuudella pyritään pääasiassa vauhdin lisäämiseen. Formula-autoissa toki pyritään myös ilmanvastusvoima suuntaamaan alas erilaisilla siivekkeillä, jolloin renkaiden ja tien välistä kitkaa voidaan lisätä. Tehtäviä 1. Polkupyöräsi vauhti hiljenee vähitellen ja lopulta pysähtyy, vaikka tie on aivan tasainen. Mistä se johtuu? 2. Hankausta eli kitkaa vähennetään laittamalla pyörän keskiöön kuulalaakereita. Niiden avulla pyörä pyörii paremmin. Millä muulla tavoin voit vähentää kitkaa? 3. Ilmakin aiheuttaa hankausta. Millä nimellä sitä kutsutaan? Miten voit pyöräillessäsi vähentää ilman aiheuttamaa hankausta? 4. Kitka on myös välttämätöntä ja hyödyllistä. Millä tavoin kitka auttaa polkupyöräilijää? 5. Mitä tarkoittaa lepokitka? 6. Millä tavoin kitka riippuu a) kappaleen painosta, b) hankaavien pintojen laadusta, c) hankaavien pintojen koosta? 3
Lisätehtäviä: 7. Miksi talvella käytetään nastarenkaita? 8. Miksi märkä tie on kuivaa tietä liukkaampi? 9. Jos rakennat veneen, millä tavalla otat huomioon veden hankauksen? 10. Millainen maailma olisi, jos kitkaa ei olisi lainkaan? Lepokitka Kun Nano on paikallaan eikä häntä työnnetä, häneen ei vaikuta kitkavoimaa. Heti kun Sara alkaa työntää Nanoa, alkaa myös kitkavoima vaikuttaa. Mitä enemmän Sara Nanoa työntää tämän vielä liikkumatta, sen suuremmaksi kitkavoima kasvaa. Niin kauan kuin Nano on vielä paikallaan, kutsutaan kitkaa lepokitkaksi. Nano ei liiku. Työntö on Nano ei liiku vieläkään. Nano lähtee kiihtyvään yhtä suuri kuin lepokitka. Työntö on yhtä suuri kuin liikkeeseen. lepokitka. Työntövoima on suurempi kuin liikekitka. Liikekitka Nanoa työnnettäessä Sara tuntee, että jokin voima vielä vastustaa liikettä. Liikkuvaan Nanoon vaikuttavaa kitkaa kutsutaan liikekitkaksi. Palikkatutkimuksia 1. Kiinnitä voimamittari tai jousivaaka puupalikkaan, jossa on pieni koukku tai käytä valmista kitkakappaletta. Tarkkaile mittaria, vedä hitaasti palikka liikkeelle. Merkitse muistiin liikkeelle lähtöön tarvittava voima. 4
2. Huomaa, miten mittarin lukema muuttuu palikan lähdettyä liikkeelle. Merkitse muistiin tasaisen liikkeen ylläpitämiseen tarvittava voima. 3. Mitä tapahtuu kun kiihdytät palikan nopeutta? Lisätehtäviä: 4. Yritä kokeilemalla löytää kaikkia sallittavia aineita ja välineitä käyttäen keinoja kitkan pienentämiseksi. Ilmanvastus Kappaleen kulkiessa ilman halki hankaa ilma kappaletta ja saa aikaan liikettä vastustavan voiman. Tätä voimaa sanotaan ilmanvastukseksi. Se tulee sitä suuremmaksi, mitä nopeammin kappale kulkee. Huomaat helposti ilmanvastuksen esimerkiksi pyöräillessäsi. Ilmanvastustutkimuksia Ota iso pahvi- tai vanerilevy ja yritä juosta lujaa pitämällä sitä edessäsi. Mitä tapahtuu ja miksi? 5
Kitka synnyttää lämpöä Kun kaksi pintaa hankaa toisiaan vasten, syntyy lämpöä. Voit havaita sen helposti, kun kosketat juuri pysähtyneen auton rengasta - vaikka pakkassäälläkin. Kitkan vähentäminen Monissa paikoissa kitkasta on haittaa. Se repii ja kuluttaa, siksi sileätkin metallit kuluvat. Kitka kuluttaa energiaa. Pyörä lienee paras keksintö kitkan vähentämiseksi. Monissa koneissa kitka voi aiheuttaa energian kulumisen lisäksi koneen osien kulumista. Sitä voidaan vähentää öljytyillä kuulalaakereilla. Laakereiden toiminta perustuu siihen, että öljyn avulla pinnat pyörivät eivätkä liu u toisiaan vasten. Tutkimuksia 1. Hiero käsiäsi yhteen. Mitä tapahtuu ja miksi? Kokeile myös niin, että toisessa kädessä on käsine, kokeile eri materiaaleista valmistettuja käsineitä, voit myös hieroa käsiä erilaisiin vaatteisiin. Mitä havaitset? 2. Koverra viinipullon korkkikorkkiin tai vaikkapa pyyhekumiin kolo, johon lämpömittarin pää juuri ja juuri mahtuu. Pyöritä mittaria varovasti kolossa. Mitä tapahtuu ja miksi? 3. Tiputa koloon tippa ruokaöljyä ja toista koe. Mitä havaitset? Nesteenvastus Jos kappale liikkuu nesteessä, aiheutuu jälleen hankausta ja syntyy liikettä vastustavaa voimaa. Nesteenvastuksen huomaat helposti, kun yrität juosta vedessä. Useimmat kalat ovat virtaviivaisia uidakseen sulavasti vedessä. 6
Kitkan lisääminen Kitka on välttämätön ja usein sitä pyritään keinotekoisesti lisäämään. Ilman auton renkaan ja tien välistä kitkaa, pyörät kyllä pyörisivät, mutta auto ei liikkuisi mihinkään. Sadekelillä renkaan kuviointi rikkoo tiellä olevan veden pinnan, jotta rengas pysyisi yhteydessä tiehen. Nastarenkaat puolestaan rikkovat sileän jään, ja lisäävät näin kitkaa. Auton pysähtyminen jarrutuksessa riippuu myös tien ja renkaan välisestä kitkasta. 70 km/h nopeudesta auton jarrutusmatka kuivalla asvaltilla on 30 metriä, märällä asvaltilla 40 metriä ja jäisellä pinnalla 200 metriä. Kitkakerroin Pintojen karkeus vaikuttaa kitkan suuruuteen. Esimerkiksi autojen renkaita suunniteltaessa on tärkeää tietää millaiset hankausvoimat pintojen välillä vallitsevat. Tätä varten on suoritettu lukuisia kitkamittauksia. Mittausten avulla on saatu selville eri pintojen karkeutta kuvaava nk. kitkakerroin. Mitä suurempi kitkakerroin, sitä suurempi on kitka. 7