Snurrig energi
Årskurs: Gymnasiet
Ämnesområde: Energi, Kraft och rörelse
Energiprincipen och begreppen lägesenergi, rörelseenergi och rotationsenergi illustreras i det här experimentet. Rotation utan förflyttning innehåller också rörelseenergi. Tänk till exempel på konståkare som gör piruetter eller vingarna på ett vindkraftverk.
Vad händer i experimentet?
När hjulparen rullar omvandlas lägesenergi till rörelseenergi. Rörelseenergin består av rotationsenergi och translationsenergi. Translationsenergin är relaterad till hjulparens förflyttning.
Vid slutet av planet har båda hjulparen förlorat lika mycket lägesenergi och har då samma rörelseenergi. Hjulparet som rullar på listen har dock mindre translationsenergi och mer rotationsenergi eftersom hjulen snurrar mycket fortare.
När hjulparet rullar av listen och tar mark omsätts rotationsenergin i translationsenergi och hjulparet ökar hastigheten.
Som alternativ till hjulparen satte vi även ihop förborrade träkulor med trästavar som passar i hålen. Våra träkulor och stavar hittade vi på Panduro. Träkulorna har diametern 37 millimeter och hål med diametern 8 millimeter. Trästavarnas diameter är 6 millimeter.
Beställ något fler träkulor än du behöver. Det är små variationer i hålstorlek och ibland kan några kulor ha så små hål att trästaven inte passar.
Två likadana burkar
Det tredje alternativet var att använda två likadana burkar, exempelvis barnmatsburkar. Fyll den ena med mjöl eller något annat som packas tätt och inte rör sig om du vänder och vrider på burken. Fyll sedan den andra burken med vatten tills den väger lika mycket som den första burken.
I varianten med burkarna har burken med mjöl större rotationsenergi eftersom mjölet följer med runt när burken snurrar. Vattnet däremot ligger nästan stilla och burken snurrar runt det stillastående vattnet.
Arbeta med experimentet
Diskutera energiomvandlingar och energins bevarande. När hjulparen eller barnmatsburkarna har tappat lika mycket i höjd har de ändå inte samma hastighet eftersom en del av energin ligger i rotationen.
Gör experimentet med burkar eller hjul på golvet istället för på ett bord. Låt hjulparen eller burkarna rulla iväg tills de stannar. Om de startar med samma energi borde de rulla lika långt. Det gör de inte riktigt i verkligheten...
Bortglömd friktion
Diskutera varför hjulen eller burkarna till slut stannar. Vart tar energin vägen? Friktion är något som man ofta ignorerar i en idealiserad beskrivning men som har mycket stor betydelse för verkliga processer.
I gymnasiematematiken ingår tillräckligt med begrepp för att man ska kunna diskutera hur man beräknar rörelseenergin hos ett roterande hjul.
Fler exempel på rotationsenergi
Konståkare
Konståkare som gör piruetter snurrar fortare om de drar in armarna mot kroppen. De delar av en roterande kropp som är långt från rotationsaxlen har högst fart och störst rörelseenergi. Drar då åkaren in armarna mot kroppen minskar rörelseenergin.
Energi kan dock inte försvinna, så energiprincipen gör att konståkaren börjar snurra fortare för att bevara rörelseenergin. Du kan prova fenomenet själv med hjälp av en snurrstol (se länk nedan).
Ta del av experimentet ”Rotera mera”
Jojo
En jojo omvandlar lägesenergi till translations- och rotationsenergi och tillbaka igen. I sin nedersta position kan jojon hänga och rotera ganska länge. Den har här endast rotationsenergi.
Rycker man sedan lite i snöret vandrar jojon uppåt igen. Rycket gör att friktionen mellan snöröglan och jojon ökar så att snöret vindas upp runt jojons axel. Diskutera vilka energiformer som förekommer då jojon rör sig.
Leksaksbilar
En del leksaksbilar kan "laddas" med rörelse genom att man håller i bilen och tar fart så att hjulen snurrar. Sedan sätter man ner leksaken som sticker iväg. Det är ganska trögt att ladda bilen och skruvar man isär den och tittar inuti ser man varför.
På hjulaxeln sitter ett kugghjul (A) som startar ett annat kugghjul (B) som startar ett metallhjul (C). C har stor radie och stor massa och kan lagra mycket rotationsenergi.
Eftersom rotationen överförs från kugghjul med stor radie till kugghjul med liten radie kommer C dessutom att få en mycket hög hastighet. När leksaksbilen sätts ner och åker iväg stannar den inte förrän all rotationsenergi hos hjul C är slut.
Kugghjulsystemet bygger på samma princip som för växlarna på en cykel. Studera gärna vilka kugghjul i cykelns växelsystem som gör vad då du lägger i olika växlar.
(Skapat av Per Beckman och Carina Fasth.)