Painovoima ja tasapaino · Tehtäviä 1. Kuinka suurella voimalla 100 gramman massainen kappale...

1PAINOVOIMA JA TASAPAINO / TIETOA JA TUTKIMUKSIA

VOIMA, LIIKE JA TASAPAINO

PAINOVOIMA JA TASAPAINO

TIETOA JA TUTKIMUKSIA

Vetovoima

Kun kappaleen päästää irti, se putoaa maahan. Putoamisensaa aikaan Maan vetovoima. Se on voima, joka vetää kappalei-ta toisiaan kohti. Kahden kappaleen välillä on aina vetovoimaa.Kahden kappaleen välisen vetovoiman vaikutus riippuu niidenvälisestä etäisyydestä sekä kappaleiden koosta ja massasta.Vaikka kaikki kappaleet vetävätkin toisiaan puoleensa, voitämän vetovoiman havaita vasta, kun toinen kappale tai mo-lemmat kappaleet ovat hyvin suuria - kuun, planeetan tai aurin-gon kokoisia. Vetovoimaa on paitsi Maassa siis myös Kuussa.Auringon vetovoima puolestaan vetää Maata ja muita planeetto-ja puoleensa ja pitää ne radoillaan.

Painovoima

Maan aiheuttamaa vetovoimaa kutsutaan painovoimaksi. Sen suuruuteen vaikuttaa kappaleenmassa. Painovoima pienenee, mitä korkeammalle Maan pinnasta erkaannutaan.

Kuun painovoima

Painovoima Kuussa on pienempi kuin maassa, koska Kuu on paljon pienempi javähämassaisempi kuin Maa. Ihminen painaa Kuussa noin kuudenneksen siitä, mitä hänpainaa Maassa, joten hyppääminen on Kuun pinnalla paljon helpompaa kuin maankamaralla.

MUISTA RAPORTTI:

-Mitä tein?-Mitä ennustin?-Mitä tuloksia sain?-Johtopäätökseni



Painopiste

Painopisteeksi sanotaan pistettä, johon koko kappaleenmassa näyttää keskittyneen. Esimerkiksi pallon ja muidensäännöllisten kappaleiden painopiste on niiden keskellä.(Edellyttäen, että kappale kokonaisuudessaan samaa jayhtä tiheää materiaalia) Kappale pysyy tasapainossa, jossitä tuetaan painopisteestä tai suoraan sen alapuolelta.

Tutkimuksia tasapainosta

Kolikon poimintaNojaa 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 ajansuorana. Miksi rahan poimiminen onnistuu/ epäonnis-tuu? (vastaus: painopiste siirtyy kumartuessa)

Palikoiden pinoaminen

Pinoa puupaloja päällekkäin siten, että päällimmäinen pala onmahdollisimman kaukana alimmaisesta palasta.

Jalan nostoNojaa vasemmalla kyljelläsi seinään siten, että selkäsion suorana. Pidä olkapää kiinni seinässä ja nosta oike-aa jalkaasi kuvan mukaisesti ylöspäin. Kuinka korkeallejalan voi nostaa? Miksi horjahdat helposti oikealle?



Kaatuminen

Välineet· erilaisia pikkupalikoita, pyyhekumeja ym.· lauta tai paksu pahvi· kynä ja sinitarraa

Ohje

Kiinnitä lautaan tai pahviin kynä tai muuvastaava tueksi kuvan mukaisesti. Asetatutkittavat kappaleet laudan päälle ja nostalaudan toista päätä hitaasti ylöspäin. Tutki,mikä kappale ja missä asennossa kaatuuhelpoimmin. Mikä vaikuttaa kaatumiseen?

Tasapainossa

Välineet· Korkillinen pullo· korkista tehty korkki· cocktailtikku· kaksi varrastikkua· kaksi sinitarrapalloa

Ohje

Tutki kuvan mukaisesti, löydätkö tasapainonhelposti.

Lisätehtäviä

Tutki, miten tikkujen nostaminen tai laskeminenvaikuttaa tasapainoon. Entä jos toinen pallo onpainavampi?

FYSIIKKA YMPÄRILLÄMME

Sillanrakennus

Tasapainottavat voimat ovat hyvin tärkeitä rakentamisessa. Esimerkiksi sillat on rakennettavaniin, että ne romahtamatta kannattavat oman ja raskaan liikenteen painon. Alaspäin suuntau-tuva Maan vetovoima täytyy siis tasapainottaa ylöspäin suuntautuvilla voimilla.



Yksinkertaisin on palkkisilta. Maatuet kannattavat sitä kummastakin päästä.

Kaarisillassa siltarakenteen kaarevuus siirtää painon kummassakin päässä olevilletukirakenteille.

Riippusillassa painoa kannattavat vaijereiden ja silta-arkkujen pystysuuntaiset voimat.

Painopiste ajoneuvoissa

Isoissa ajoneuvoissa kaatumisen estämiseksi pyörät sijoitetaan kauas toisistaan ja moottorialas, jotta painopiste saadaan mahdollisimman alas. Laivojen ja rekkojen lastaamisessa onotettava huomioon, ettei lasti pääse liikkumaan, sillä painopisteen äkillinen siirtyminen saattaajopa kaataa laivan tai auton.

Palkkisilta

Kaarisilta

Riippusilta



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 8newtonin voimalla. Mihin suuntaan kelkka liikkuu ja mikä on kokonaisvoiman suuruus?c) Piko ja Nano vetävät kelkkaa samaan suuntaan. Piko 6 newtonin ja Nano 7 newtoninvoimalla. 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

Välineet· voimamittarisi tai jousivaaka· 100 gramman kappale· sinitarraa tai muovailuvahaa muki· vettä

Ohje

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 vainpyyhällä kauas avaruuteen? Miksi se ei putoa takaisin Maahan, kun se irtautuu raketista?Kantoraketin satelliitille antama työntövoima vie satelliittia Maasta poispäin. Satelliitin nopeus eikuitenkaan riitä viemään sitä Maan vetovoiman ulottumattomiin. Satelliitin nopeus hidastuu ja sealkaa kaartaa kohti Maata. Kovan nopeuden ansiosta satelliitti ei ehdi pudota Maahan, koskaMaa kaartuu aina alta pois. Näin satelliitti päätyy Maata kiertävälle radalle.



Kaksi voimaa pitää siis satelliitin kiertävällä radalla.Toinen voima, raketin antama työntövoima työntääsitä avaruuteen ja toinen voima, Maan vetovoimavetää sitä Maata kohti. Nämä kaksi voimaa ovatyhtä suuret mutta vastakkaissuuntaiset, näinsatelliitti pysyy radallaan. Satelliitit kiertävät tehtä-vänsä mukaisesti eri korkeuksilla ja eri nopeuksilla.Kauempana Maasta on pienempi painovoima, jotensatelliitin nopeus on myös pienempi, kuin lähelläMaata kiertoradallaan olevalla satelliitilla. Matalallaeli noin 400 kilometrin korkeudella kiertävän satel-liitin nopeus on noin 8 km/s. Se kiertää Maan noinpuolessatoista tunnissa. Kuu, uskollinen kiertolai-semme on Maan luonnollinen satelliitti. Se kiertääMaapalloa vajaan 400 000 km päässä, joten silläriittää nopeudeksi 1 km/s. Kiertoajanhan tiedät -se on kuukausi, noin 29,5 vuorokautta.

Tee oma satelliittisi

Välineet

· 120 cm pitkä naru tai paksu lanka· sinitarraa tai muovailuvahaa· kirjevaaka· noin 15 cm:n pätkä muoviputkea, halkaisijaltaan 1-2 cm

Ohje

1. Kiinnitä narun toiseen päähän20 gramman sinitarrapallo. Pujotanaru 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 puolenmetrin mittaisena. Vertaa satelliitin nopeutta metrin säteellä kulkevan satelliitin nopeuteen.Mitä havaitset?



Painottomuus

Astronautit ja kaikki tavarat näyttävät leijuvan vapaastiavaruusaluksessa. Kansanomaisesti sanotaan kyseessä olevanpainoton tila. Näin ei kuitenkaan ole sillä Maan vetovoima ulottuuäärettömän kauas. Painottomuuden tunne johtuu sitä, ettäavaruusaluksessa olevat ihmiset putoavat aluksensa kanssayhdessä koko ajan maata kohti. Alus ei putoa Maahan, sillä sennopeus on niin suuri ja Maan pinta kaartuu koko ajan alta pois.Tosi kovalla vauhdilla alaspäin putoavassa hississä voit tunteapainosi vähenevän. Hypätessäsi alas, vaikkapa penkiltä, tunnetitsesi hetken ajan painottomaksi.

Painottomuustutkimuksia

Seiso tuolilla raskas koulureppu kädessäsi käsi suorana. Tunnet selvästisen painavan. Hyppää käsi suorana lattialle ja tunnustele ilmalennonaikana, miltä laukku tuntuu.

Pulloavaruussukkula

Välineet

· tyhjä ja huuhdeltu 1,5 litran virvoitusjuomapullo· pieni nukke tai esine, joka mahtuu pullon suuaukosta sisään.

Ohje

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 tasapainottaavoimaa. 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 vastak-kaisiin suuntiin yhtä suurella voimalla. Voimat kumoavat toisensa. Silloin puhutaan tasapainosta.



Voimien yhteisvaikutus

Jokainen kappale on aina vuorovaikutuksessa usean muun kappaleen kanssa, jolloin siihenvaikuttaa useita voimia. Näitä ei kuitenkaan huomata, jos kappaleelle ei tapahdu mitäänmuutoksia. Ajattele vaikka suurta laatikkoa, jota neljä hölmöläistä yrittää työntää. Kukinsamalla voimalla, mutta jokainen laatikon eri sivusta. Mitään ei tapahdu. Mutta, jos joku vähänhellittää, laatikko liikkuu hänen suuntaansa.

Kokonaisvoima

Jos polkupyörään kohdistuvat vastak-kaissuuntaiset voimat ovat yhtä suuret,kokonaisvoima on nolla.

Jos polkupyörään kohdistuvatvastakkaissuuntaiset voimat ovaterisuuret, kokonaisvoima ei ole nolla.Kokonaisvoiman suunta onsuuremman voiman suuntainen.

Jos polkupyörään kohdistuvat voimat ovatsamansuuntaiset, kokonaisvoima on voimiensumma.



Tutkimuksia voimien yhteisvaikutuksista

1. Työnnä pulpettia. Mitä tapahtuu? Piirrä tilanteesta kuva, jossa näkyy voimanuoli.2. Työntäkää kaverisi kanssa pulpettia vastakkaisista suunnista niin, että pulpetti pysyypaikoillaan. Piirrä tilanteesta kuva, jossa näkyy voimanuolet.3. Työnnä nyt kaverisi kanssa pulpettia vastakkaisista suunnista siten, että pulpetti kuitenkinliikkuu. 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 kuvanmukainen pelikenttä ja haasta kaverisi puhallusotteluun.

Kolmiorakenne

Jos kolme voimaa on tasapainossa,voimapiirros muodostaa kolmion.



Kestävä muoto –tutkimus

Välineet· paksua pahvia· haaraniittejä· sakset· kynä ja viivain

Ohje

Leikkaa pahvista 2 cm levyisiä ja 20 cmlevyisiä suikaleita. Tee suikaleista niiteilläkiinnittäen kuvan mukaisia muotoja ja tutkimiten hyvin ne säilyttävät muotonsa.

Mitä havaitset?

Lisätutkimuksia

Kestävä silta

Välineet· 30 paksua mehupilliä, askartelunorkoja, teippiä

OhjeTee pilleistä mahdollisimman kestävä vähintään 20 cm pitkä silta. Askartelunorkojen avulla voitliittää pillit toisiinsa helposti kulmittain. Esittele aikaansaannoksesi muille.

Tukivoima

Kun istut tuolilla, työnnät painollasi tuolia alaspäin. Jotta tuoli ei hajoa, sen täytyy työntää ylöspäinpainosi suuruisella voimalla. Toisin sanoen Maan vetovoima vetää sinua alaspäin täsmälleenyhtä suurella mutta vastakkaissuuntaisella voimalla, kuin tuolin tukivoima työntää sinua ylöspäin.Jos tuoli yllättäen hajoaa, pienenee näin tuolin tukivoima ja putoat lattialle, koska painovoima onnyt suurempi kuin tukivoima.



Kestävä tanko –tutkimus

Välineet· A4-paperiarkkeja leikattuna pitkittäin kahtia· teippiä· painoja· 2 pinoa kirjoja· kynä· viivain

Ohje

Tee neljä erilaista tankoa kuvan mukaan. Käytä teippiä. Teekirjoista yhtä korkeat pinot, jotta voit kokeilla tankojen kestävyyttä.Tutki, mikä tangoista kestää parhaiten painoa. Voit asettaa painontangon päälle, muuta myös roikkumaan siitä.

Kelluminen

Kun nostat kiveä veden alla, se tuntuu kevyeltä. Voimasi eivät suinkaan kasva vedessä, vaansyynä on se, että vesi auttaa sinua nostamisessa kannattaen osan kiven painosta. Tätä kannatta-vaa voimaa sanotaan nosteeksi. Noste on yhtä suuri kuin kappaleen (eli kiven) syrjäyttämännestemäärän (eli vesimäärän) paino. Tämä on Arkhimedeen laki. Noste pitää vettä kevyemmätesineet 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 onkappaleeseen pakkautunut. Metallilevy uppoaa, koska sen paino on suurempi kuin sen syrjäyttä-män veden paino eli noste. Mutta jos metallilevyistä muotoillaan laiva, se kelluu, koska ontto sisä-tila kasvattaa laivan tilavuutta. Tällöin laiva syrjäyttääyhtä paljon vettä, kuin se itse painaa.

Laivatutkimus

Välineet:· Astia, jossa on vettä noin 5 - 10 cm· Muovailuvahaa tai sinitarraa· Marmorikuulia tai jotain muuta vastaavaa lastiksi

Ohje

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 kantaavielä enemmän kuulia.

Painovoima ja tasapaino · Tehtäviä 1. Kuinka suurella voimalla 100 gramman massainen kappale...

Documents

Transcript of Painovoima ja tasapaino · Tehtäviä 1. Kuinka suurella voimalla 100 gramman massainen kappale...