בפעם האחרונה שעליתם על רכבת ההרים בלונה פארק, האם הקדשתם מחשבה לשאלות מדוע הרכבת לא נעצרת באמצע הדרך, מדוע היא איננה נופלת מהמסילה כשהיא עושה סיבוב של 360 מעלות ואיך אנחנו לא נופלים ממנה בסיבובים הללו? ולא, זה לא בזכות חגורות הבטיחות.

היישומון שלפנינו ממחיש איך הכוחות וגלגולי האנרגיה מניעים את רכבת ההרים ומאפשרים לכולנו ליהנות מנסיעה מרגשת ובטוחה. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).


היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.

לפני שנתחיל להשתעשע עם היישומון, בואו נגדיר כמה מושגים חשובים:

אנרגיה פוטנציאלית: אנרגיה שנאגרת בגוף מסוים כתוצאה מכוח כמו כוח הכבידה, קשרים כימיים ועוד. אנרגיה פוטנציאלית נוצרת כשמתבצעת עבודה על הגוף. האנרגיה הפוטנציאלית יכולה להתגלגל לאנרגיה קינטית, אנרגיית חום או אנרגיה פוטנציאלית מסוג אחר. ביישומון, האנרגיה הפוטנציאלית נאגרת על ידי העלאת הגוף לגובה (עלייה נגד כוח הכבידה). כאשר הגוף משתחרר, האנרגיה הפוטנציאלית שלו יורדת ככל שמצטמצם גובהו לעומת הקרקע, ומומרת לאנרגיה קינטית. האנרגיה באה לידי ביטוי במשוואה E=mgh (אנרגיה שווה למכפלת המסה, תאוצת הכובד והגובה).

אנרגיה קינטית: אנרגית תנועה. אנרגיה שגוף מקבל כתוצאה מהתנועה שלו. אנרגיה כזו יכולה להתקבל כאשר פועל על על הגוף כוח שדורם לו לנוע. האנרגיה הטמונה בכוח הזה היא האנרגיה הפוטנציאלית. האנרגיה הזאת באה לידי ביטוי במשוואה E=(mv2)/2 (האנרגיה שווה למחצית המכפלה של המסה במהירות בריבוע).

אנרגיית חום: אנרגיה תרמית. האנרגיה בגוף או במערכת מסוימת שבאה לידי ביטוי בטמפרטורה. במקרה שלנו אנרגיית החום נוצרת כתוצאה מהחיכוך בין הרכבת או דמות הגולש למשטח.

חוק שימור האנרגיה: במערכת סגורה, הסכום הכולל של האנרגיה יישמר תמיד, אם כי לא תמיד באותה התצורה. ייתכנו מצבים שבהם אנרגיה תתגלגל מתצורה אחת לשניה, למשל מאנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית או מאנרגיה קינטית לאנרגית חום, אך סך האנרגיה יישמר תמיד.

עבודה: כמות האנרגיה המועברת לגוף או למערכת לאורך מסלול מסוים. כשגוף צובר אנרגיה כתוצאה מהפעלת כוח, אפשר לומר שנעשתה עבודה. עבודה באה לידי ביטוי במשוואה W=F*r (העבודה שווה למכפלת הכוח בדרך).

ביישומון שלפנינו אפשר לשחק בכמה פרמטרים: לשנות את תאוצת הכובד, לשנות את משקל הגוף, להוסיף כוח דחף חיצוני (כפתורי החיצים במקלדת), לשנות את מקדם החיכוך, וכמובן לשנות את המסלול עצמו. כמה כלי עזר יסייעו לכם לנתח את תנועת הגוף ואת גלגולי האנרגיה: סרגל מדידה, רשת קואורדינטות, רמת ייחוס לאנרגיה הפוטנציאלית והצגת המסלול. תוכלו להיעזר גם בכמה עזרים גרפיים ואנליטיים: הצגת גרף האנרגיה בכל נקודה במסלול, גרף אנרגיה על פי הזמן או המיקום, וגרף אנרגיה קווית. אפשר כמובן להקליק גם על נקודה כלשהי במסלול ולקבל את כל הערכים המספריים של האנרגיה בה.

בהתחלה אנו ממליצים לכם להשתמש במסלול המוצא (מסלול דמוי קערה) ולראות איך משקל הגוף, כוח הכבידה והחיכוך משפיעים על התנועה ועל האנרגיה.

על מנת להעלות את רמת הבדיקה מומלץ לשנות את המסלול, להאריך אותו, ליצור בו פיתולים ואף סיבוב של 360 מעלות בדרך (כמו בלונה פארק), ולראות איך יתנהג הגוף בתנאים השונים.

לבסוף כדאי להוסיף כוח דחף (באמצעות החצים במקלדת) ולראות איך הוא משפיע על התנועה ועל האנרגיה במערכת. שימו לב שאם תסכמו את כל האנרגיה במערכת בכל נקודה נתונה תקבלו ערך קבוע, ואם תרצו לחשב אנרגיה מסוג אחד תוכלו לעשות את זה על ידי הפחתה של האנרגיות האחרות מהאנרגיה הכוללת של המערכת (בהתאם לחוק שימור האנרגיה).

האם אותו דבר נכון גם כשמוסיפים כוח דחף חיצוני?

בפעם הבאה שתעלו על רכבת ההרים בלונה פארק, נסו להקדיש מחשבה נוספת לכוחות ולשיקולי האנרגיה שסקרנו ביישומון הזה. תגלו שחוקי הפיסיקה פועלים גם כשאנחנו מבלים על רכבת ההרים.

ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

0 תגובות