Odolné tvary

Vek: 9-12 rokov

Trvanie: 20 minút

Prepojenie na biomimikry:

V prírode takmer nenájdeme ostré rohy - je to najmä preto, že príroda sa snaží vyhnúť prasklinám pomocou oblých tvarov. Pozorovaním stabilných konštrukcií (napríklad stromov) v prírode sa môžeme naučiť, aký tvar používajú.

Detaily aktivity:

Pomôcky a materiály

• tácka – 1 na skupinu
• priesvitné predmety z plastu (pravítko, obal na CD, kryt na mobil) – 1 na skupinu
• polarizačné slnečné okuliare – 1 na skupinu
• elektronická obrazovka s bielym pozadím – 1 na skupinu
• priehľadná fólia (PETE) - celá, rezaná v pravom uhle, rezaná v štvrťkruhu, rezaná v oblúku - 1 set na skupinu (viď Príprava nižšie)

Príprava

Pripravte si vyššie uvedené materiály a umiestnite jeden set pomôcok pre každú skupinu. Vyrobte priehľadné fólie podľa nasledujúceho opisu - viď obr. 1 nižšie.

• Každú fóliu rozrežte na štvorce s veľkosťou 10 cm; tri štvorce na skupinu.
• Vystrihnite ¼ štvorca z jednej fólie pre každú skupinu. (Vystrihnite pod uhlom 90 stupňov).
• Vystrihnite ¼ štvorca z jednej fólie pre každú skupinu tak, aby ste nakreslili štvrťkruh s mincou na ohybe. Položte tam mincu a nakreslite štvrťkruh, potom nakreslite čiaru k okraju fólie (štvrťkruhový oblúk).
• Vystrihnite ¼ štvorca z jednej fólie pre každú skupinu tak, že na ňu nakreslíte hyperbolu podľa obrázka 1 nižšie.

Opis

Vystrihnite ¼ štvorca z jednej fólie pre každú skupinu tak, že na ňu nakreslíte hyperbolu podľa obrázka 1.

Prečo je zakrivený tvar dôležitý? Nie sú v ňom žiadne zjavné miesta namáhania, a preto sa zlomí len vtedy, keď naň pôsobíme veľkou silou. Napäťové body sú ovplyvnené tvarom. Napríklad pravouhlý ohyb bude mať inú odolnosť voči namáhaniu ako zakrivený uhol. Budeme to pozorovať v nasledujúcom štvorstupňovom experimente s použitím polarizovaného svetla a polarizačného filtra.

Požiadajte žiakov, aby sa rozdelili do skupín po 3-4 deťoch.

1. Zapnite počítač, otvorte na monitore bielu stránku (napr. Paint alebo prázdny dokument programu Word). Povedzte žiakom, aby si nasadili polarizačné okuliare. Potom zoberte plastové predmety z ich zásobníka s vybavením a podržte ich pred monitorom. Jemne nimi pohybujte, ohýbajte ich, ak sú ohybné.
2. Obrazovka aj slnečné okuliare obsahujú polarizačný filter, ktorý pomáha odfiltrovať rozptýlené svetlo, vďaka čomu je viditeľné mechanické napätie v materiáli. Tam, kde dochádza k zmene hustoty materiálu, sa biele svetlo rozkladá na svoje farby. Sledujte, ako sa objavujú a menia farebné "pruhy". Farebné pásy ukazujú, kde je v materiáli napätie. Na niektorých miestach sú pásy husté a je ich málo, na iných miestach sú úzke a blízko seba. Tam, kde sú najhustejšie, sa nachádzajú takzvané miesta napätia. Ak na materiál pôsobí vonkajšia sila, tu sa pretrhnú alebo pretrhnú.
3. Vyberte fóliu, ktorá je orezaná pod uhlom 90 stupňov. Ohýbajte aj túto fóliu, sledujte, kde sa objavujú napäťové body a ako sa ich usporiadanie mení pri pohybe fólie. Centrá napätia sú sústredené v rohu.
4. Teraz preskúmajte fóliu s vystrihnutým štvrťkruhom. Ohýbajte ju tiež, sledujte, kde sa objavujú body napätia a ako sa ich usporiadanie mení pri pohybe fólie.
5. Vzorcov napätia je viditeľných menej, ale stále sú tam. Je možné vytvoriť ešte účinnejšie zakrivenie, aby sa počet napäťových bodov znížil na minimum? Čo pomáha viesť silu pôsobiacu na teleso bezpečne, bez porušenia, cez materiál?
6. Nakoniec preskúmajte fóliu vystrihnutú v tvare hyperboly.

Vysvetlenie

V prípade oblúka (rovnaký uhol ako strom kotvený do pôdy) sa napätie na fólii ďalej znižuje. Zakrivenie pri základni stromu je optimalizované tak, aby sa rovnomerne rozložilo napätie pri rozťahovaní, čím sa zabráni vzniku zlomov/trhlín v dôsledku mechanického nárazu. Tento typ zakrivenia je veľmi účinný pri predchádzaní vzniku napätia v ktoromkoľvek bode oblúka.

Polarizačné sklá a tienidlo zviditeľňujú miesta, kde dochádza k mechanickému napätiu materiálu. To ukazujú farebné čiary: tam, kde sú hustejšie a užšie, sa nachádzajú miesta napätia. To znamená, že ak naň pôsobí vonkajšia sila (napríklad silno ohnete pravítko), tak sa tam zlomí.