Изгибающийся Dropper Popper. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:45

01.2015

Эту недорогую детскую резиновую игрушку называют Dropper Рopper или AstroBlaster. Дети, играя, соревнуются, чей Popper подпрыгнет выше.
Однако с помощью этой игрушки можно также изучать и различные преобразования энергии.
Dropper Popper больше, чем просто половинка резинового мяча!

На первый взгляд кажется, что это невероятное устройство бросает вызов законам физики, подпрыгивая выше, чем следовало ожидать!
При падении с высоты после столкновения с опорой Popper подпрыгивает на высоту в несколько раз большую, чем та высота, с которой они были брошены вниз.

Откуда берется дополнительная энергия?

Да, по своему поведению Popper не очень-то похож на обычный резиновый мяч.
Вы помните, как отскакивает резиновый мяч от земли?
Обычный резиновый мяч, поднятый над землей, а затем отпущенный, при отскоке никогда не достигнет высоты, с которой вы его уронили.
Здесь работает закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана из ничего, ни уничтожена; она может только превращаться из одного вида в другой.
При падении изначально поднятого над землей мяча его потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию. При движении и в момент удара о землю часть механической энергии за счет трения превращается в тепловую (внутреннюю) энергию мяча , земли и окружающего воздуха. То есть часть механической энергии превращается в тепловую энергию, поэтому после отскока мяч не может подняться на первоначальную высоту.
И лишь при отсутствии потерь энергии за счет трения совершенно упругий шарик мог бы после отскока вернуться до той высоты, с которой он был запущен.
При феноменальных по высоте отскоках игрушке Popper не хватило бы тех запасов энергии, которые возникают в результате превращения энергии при падении обычных мячей.
Из-за своих конструктивных особенностей резиновые полусферы способны запасать упругую потенциальную энергию, чтобы затем превратить ее в кинетическую энергию движения.
Каким образом?
Если просто бросить с некоторой высоты Popper, то ничего интересного в его падении вы не заметите.
А вот. если его вывернуть наизнанку...

Перед бросанием необходимо вывернуть Popper наизнанку.
Выворачивая Popper наизнанку, вы совершаете над ним работу, в результате деформации резинка приобретает запас потенциальной энергии. Уточним?
Как любая упругая деформированная пружина, Popper приобретает потенциальную энергию деформированного тела.

Когда Popper, вывернутый наизнанку, падает вниз, то в момент удара он выпрямляется и приобретает первоначальный вид. Его упругая потенциальная энергия высвобождается, прибавляется к кинетической энергии, приобретенной в результате падения, поэтому «резинка» и подпрыгивает выше той высоты, с которой начинала свое падение.

Но, вместо того, чтобы бросать Popper вниз с какой-то высоты, можно просто положить его в вывернутом состоянии на стол. Через некоторое время, после обратного самопроизвольного выворачивания, резинка подпрыгнет на какую-то высоту. Вот тут-то и можно оценить как велика упругая потенциальная энергия, накопленная резинкой в вывернутом состоянии.

Если подобный Popper весит около 18 граммов, а после выпрямления на столе подскакивает на высоту около 1,3 метров над столом, то его упругая энергия, которая затем превращается в кинетическую, а далее в потенциальную энергию, составит 0,23 Дж. Начальная скорость «резинки» при отскоке составит 5 м/с при условии, что при превращении энергии нет потерь энергии на нагрев или сопротивление воздуха.
Dropper Popper работают по-разному в зависимости от температуры, влажности и поверхности, на которую он падает. Интересно, что лучше всего отскок будет, например, от ковра, при использовании на твердой поверхности Popper придется бросать с большей высоты.
Попробуйте объяснить это сами.

Интересный опыт можно провести с Popper, если добавить еще и шарик для пинг-понга.
Если вывернуть Popper наизнанку, затем положить в его центр шарик для пинг-понга, и отпустить, бросив все вместе на твердую поверхность.

Посмотрите, на какую высоту подпрыгнет Popper, а на какую шарик для пинг-понга. Оба предмета подскочат на высоту большую, чем высота, с которой они падали!

Как это объяснить?
Чудес не бывает!
Про дополнительную упругую потенциальную энергию, заложенную в резинку при деформации вы уже знаете, но почему подпрыгнул выше и шарик от пинг-понга?
Ответ смотри здесь - Падающие шары