Elixír do škol - 1. setkání

Ve čtvrtek 10. 9. 2015 se konalo v učebně fyziky SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské první setkání projektu Elixíru do škol ve školním roce 2015/2016. Projekt zaměřený na zkvalitnění výuky fyziky zejména na základních školách je i nadále podporován Nadací Depositum Bonum. První setkání nového školního roku bylo věnováno silám.

Na úvod setkání jsem zopakoval některé základní informace o smyslu setkání, o možnosti zapůjčit si pomůcky a další, protože na setkání přišly tři nové kolegyně. Dále jsem poděkoval loňským účastníkům za vyplnění velké ankety, z níž (kromě jiných velmi pozitivních závěrů) vyplynulo také to, že účastníci přicházejí do center na základě sdělení svých kolegů, známých, kamarádů, a ne na základě oficiálního dopisu adresovaného vedení školy a podobně. Proto jsem účastníky vyzval, aby dále šířili informace o centrech Elixíru do škol. Také jsem vysvětlil novinku letošního školního roku: setkání jsou akreditována a ten, kdo splní požadavky akreditace, obdrží každý půlrok příslušný certifikát.

Poté jsem seznámil účastníky s plánovaným programem na celý školní rok. Některé jeho části vyvolaly bouřlivou debatu, ale nakonec jsme program nechali beze změn. Tím jsme měli úvod za sebou a mohli jsme se vrhnout na téma dnešního setkání.

Pojem síla je nejdříve třeba zadefinovat a upozornit na případná úskalí této definice. Nutnost znát číselnou hodnotu a jednotku, je samozřejmé. Pro jednoznačné určení síly je nutné ale také určit její směr a působiště. Síly různých směrů stejného působiště resp. síly stejných směrů a různých působišť jsem pak jednoduchými experimenty demonstroval. Diskusi vyvolalo slovo směr, které jsem u síly napsal. Pro jednu kolegyni bylo toto označení nepřesné a na základě svých zkušeností z výuky popisovala její způsob zavedení pojmu síla: zavádí pojem směrová přímka a orientace. Z odborného hlediska je to jistě přesnější, ale pro žáky základních škol nebo prvních ročníků středních škol, kde se síla většinou zavádí, to může možná činit potíže. Všichni jsme si vzpomněli na trable v analytice, které se objevují při definici pojmů vektor a umístění vektoru o dva roky později.

V té souvislosti jsem připomněl častou chybu žáků: sílu je možné po její vektorové přímce (resp. nositelce) posouvat libovolným směrem. Tato vlastnost se projeví u úloh řešících otáčení tělesa kolem (nehybné) osy případně u úloh zaměřených na stabilitu těles. Nesprávné určení vzdálenosti síly od osy otáčení pak vede k nesprávnému určení momentu síly, a tedy i ke špatným výsledkům ohledně rovnovážné polohy tělesa.

„Teď si připomeneme skládání sil, na které jsem vám připravil pracovní listy,“ říkám a na tabuli píšu nejjednodušší variantu, v níž mají skládané síly stejné působiště. „V pracovním listu jsou poslední tři úlohy, které nejsou tak jednoduché. Dají se buď řešit fyzikálním postupem, nebo metodou používanou v technické mechanice. Ta sice na první pohled připomíná skoro kouzla, ale funguje. Pokud zbyde čas, tak si tuhle metodu nechám až na závěr dnešního setkání.“

Účastníci částečně vyplnili pracovní listy a během komentářů k jednotlivým úlohám se přesouváme k neméně důležité operaci se silami: rozkladu sil.

„Rád bych na tohle téma spočítal jednu úlohu,“ říkám po sepsání základní charakteristiky rozkladu sil na tabuli. „Předem ale upozorňuji, že se jedná o úlohu, v níž je nutné pracovat s goniometrickými funkcemi, takže na základní školu možná není vhodná. Ale spočítat jí chci, protože s ní mám ještě určité plány!“

Zadání úlohy bylo toto: Mezi dvěma stromy na okrajích hluboké rokle je natažené lano. Vzdálenost stromů je 15 m, délka lana je 17 m. Po laně přechází rokli člověk o hmotnosti 80 kg a právě se nachází uprostřed délky lana. Jak velkými silami je namáháno lano?

„Jakou dáte pak ve škole tomu člověkovi funkci, to už je na vás - může to být průzkumník vojska, adrenalinový sportovec, člověk prchající před nějakým nebezpečím a podobně,“ dodávám k zadání úlohy.

Postupně zakreslím zadání úlohy, nechám si poradit, jak zakreslit síly namáhající lano a společně postupujeme ve výpočtu. Na závěr zdůrazňuji to, co občas překvapí i žáky: síly, které tvoří složky tíhové síly, mají větší velikost, než je velikost tíhové síly! Tento závěr ihned demonstrujeme se dvěma kolegy jednoduchým experimentem s provázkem. Dva držíme napnutý provázek a třetí experimentátor provázek v jeho středu velmi snadno napíná - a přitom za něj táhne třeba jen prstem.

„Když tohle předvádím, je vhodné vzít na držení provázku nějaké mohutné kluky a na vychylování provázku vyzvat nějakou dívku, aby více vyniklo to, že i malá síla dokáže velmi snadno hýbat celým provázkem,“ dodávám metodickou poznámku pro předvádění experimentu ve třídě.

Pak diskutujeme o závislosti velikosti sil napínajících lano na délce provazu ve srovnání se vzdáleností míst upevnění lana. Tyto poznatky pak aplikujeme na reálné situace.

„V dnešní době lze pomocí internetu zakoupit řadu adrenalinových zážitků a ne každá firma je natolik seriózní, aby měla všechny možné testy a zkoušky lan a podobně. A na této úloze je vidět, že síla napínající provaz může mít větší velikost, než je tíhová síla člověka. Proto velikost tíhové síly nemůže být nosností takového lana - nosnost lana musí být větší.“

V souvislosti s tím pak diskutujeme několik let starý případ, kdy se při zorbingu zabil učitel a jeho žák. A příčinou přitom bylo základní nedodržení bezpečnostních předpisů, které v tomto případě vyplývaly z triviální fyzikální úvahy.

Rozkladu sil je věnován další pracovní list připravený pro účastníky setkání. Z tohoto pracovního listu společně rozebereme několik úloh, se kterými se mohou žáci setkat v praxi.

Důležitou součástí studia sil je uvědomit si, jak ovlivní pohyb tělesa síla, která je:

„Typickým představitelem síly kolmé ke směru pohybu je síla způsobující pohyb po kružnici,“ říkám a přitahuji k sobě dvě lavice, abych provedl jednoduchý experiment. Tenisový míček uvedu do přímočarého pohybu a míček se pohybuje po úsečce. Pak jej uvedu do stejného pohybu, jako předtím, ale tentokráte přidržím rukou provázek, ke kterému je míček přivázán. A míček se začíná pohybovat po kružnici.

„Nejen ale tahová síla provázku realizuje dostředivou sílu,“ říkám. „Další silou, která způsobuje pohyb po kružnici je gravitační síla řídící např. pohyb planet ve Sluneční soustavě. Dostředivou silou může být i magnetická síla působící na letící elektrony v osciloskopech nebo CRT monitorech. Jenže v současné době je problém experiment provést, protože všude jsou již LCD monitory. Ale vy ten pokus znáte, že?“ kladu spíše řečnickou otázku.

„Neznáme!“ ozve se sborem.

„Aha, to mě překvapuje, myslel jsem, že to je notoricky známé. A chcete to vidět?“ ptám se celkem zbytečně. „Pokud ano,“ pokračuji, „musíme se projít.“ Na udivené pohledy účastníků setkání vysvětluji, že je nutné přejít o patro níže do učebny číslo 5, kde je stále ještě CRT monitor připojen k počítači. Beru magnet a jdeme do učebny 5. Tam předvádím, jak se mění barvy na monitoru, pokud k němu přiblížíme magnet. Vysvětluji příslušný princip vzniku obrazu na stínítku obrazovky.

„A to není jediná věc, na kterou můžete v hodinách fyziky v souvislosti s těmito typy monitorů upozornit,“ pokračuji. „Tipněte si, jak rychle se pohybuje po stínítku obrazovky stopa elektronového paprsku,“ vyzývám účastníky.

Po chvíli opatrných tipů, které se realitě zdaleka nepřibližují, požadují účastníci setkání řešení ode mě.

„Na základě výpočtu, který teď dělat nebudu, protože neznám jeden číselný parametr, vychází přibližně velikost první kosmické rychlosti, tedy zhruba 8 kilometrů za sekundu.“

Všichni jsou udiveni, protože to nečekali.

Pak se vracíme zpět do učebny fyziky a pokračujeme dále.

„Až nyní se vrátíme k pohybu tělesa po nakloněné rovině,“ říkám, zatímco jdu k počítači. „Tento pohyb v posledních několika letech žákům přibližuji na následující ukázce,“ dodávám a přitom pouštím příslušný videosoubor. „Tipnete si, z jakého je to filmu?“

Po několika tipech se uhodnout podaří - jedná se o film Jak se krotí krokodýli, který v roce 2006 natočila Marie Poledňáková jako volné pokračování úspěšných filmů Jak vytrhnout velrybě stoličku (1977) a Jak dostat tatínka do polepšovny (1978). Předpokládal jsem, že daný film a tedy i ukázku, v níž Anna nechá u chalupy nezabrzděné auto, všichni znají. Ale nebylo tomu tak. Účastníky setkání velmi pobavilo, jak vesnický dělník (v podání Aloise Náhlovského) chytal auto, aby ho zachránil před nehodou.

Na základě ukázky jsme pak rozdiskutovali síly působící na automobil, který se pohybuje se z kopce a následně do protisvahu. Řešili jsme tedy silovou bilanci tělesa na nakloněné rovině.

Když zbývaly do konce setkání necelé dvě minuty, začal jsem se loučit.

„No počkej, ještě ne! Jak je to s tím kouzlem na skládání sil?“ vzpomněli si někteří účastníci.

„Vy jste nezapomněli?“ ptám se napůl vážně, napůl z legrace. Načrtnu tedy na tabuli soustavu tří sil s různým působištěm a vysvětluji postup, jak získat výslednou sílu. Pomocí silového obrazce je to snadné.

„Nyní ale musíme určit působiště této síly na nosníku, na kterém působí skládané síly,“ říkám a začínám kreslit vláknový obrazec. Pro jistotu si postup zkontroluji se svými poznámkami, abych neudělal chybu.

Účastníci jsou spokojeni a krátce po páté hodině se loučíme.

„Těším se za měsíc na viděnou,“ usmívám se. „A přejme si, aby už bylo typické podzimní počasí - déšť, plískanice a vlhko! To bude na naplánovanou elektrostatiku to nejlepší!“ dodávám ironicky.

Materiály ze setkání, které jsou účastníkům k dispozici:

Průběh prvního setkání zobrazují fotografie.

Autorka fotografií:

Martina Kotibová

© Jaroslav Reichl, 12. 9. 2015