Snurrig energi

Vad händer och vad är rotationsenergi?

Arbeta med experimentet i fysikundervisningen

Fler exempel på rotationsenergi

Tillverkning och praktiska råd

Ordlista

Till huvudsidan

Klicka här för att se experimentet!

Vilka olika energiformer finns i en jojo? Energiprincipen och begreppen lägesenergi och rörelseenergi illustreras i det här experimentet. Rotation utan förflyttning innehåller också rörelseenergi - en jojo är ett enkelt och vardagligt exempel på detta. I gymnasiet kan man närma sig frågan hur man beräknar den rörelseenergi som finns lagrad i rotationen.

Vad händer och vad är rotationsenergi?

Betrakta en konståkare som gör en piruett eller vingarna på ett vindkraftverk. Varje del av konståkarens kropp och av vingarna på kraftverket har en hastighet eftersom de snurrar, och därför har de rörelseenergi trots att de inte har någon nettorörelse. Rotationsenergi är den sammanlagda rörelseenergin för alla delar av den roterande kroppen.

När hjulparen börjar rulla omvandlas lägesenergi till rörelseenergi. Vid slutet av listen har båda hjulparen förlorat lika mycket lägesenergi, som har omvandlats till rörelseenergi. Rörelseenergin består av translationsenergi (relaterad till hjulparens translation längs planet) och rotationsenergi. Båda hjulparen har samma totala rörelseenergi, men hjulparet som rullar på listen har mindre translationsenergi och mer rotationsenergi (hjulen snurrar mycket fortare).

Observera också vad som händer då hjulparet rullar av listen och tar mark - rotationsenergin omsätts i translationsenergi och hjulparet får ökad hastighet.

I varianten med burkar har burken med mjöl större rotationsenergi eftersom mjölet följer med runt när burken snurrar. Vattnet däremot ligger nästan stilla och burken snurrar runt det. Den här burken har mindre rotationsenergi och mer translationsenergi och rullar snabbare nerför planet.

Arbeta med experimentet i fysikundervisningen

Möjliga elevaktiviteter

Kunskapsmål

• Observera och diskutera energiomvandlingar - energi försvinner inte, den bara omvandlas mellan olika former.
• Veta vad lägesenergi och rörelseenergi är.
• Utveckla begreppet rörelseenergi till att innefatta rotation.
• Kunna hantera begreppet vinkelfrekvens.

Förslag på hur du kan använda experimentet

• Diskutera energiomvandlingar och principen om energins bevarande. När hjulparen eller barnmatsburkarna har tappat lika mycket i höjd har de ändå inte samma hastighet, därför att en del av energin ligger i rotationen.

• Variera experimentet genom att använda två trådrullar eller jojosar. Vilken faller fortast - en trådrulle/jojo där man håller i snöret när man släpper den eller en som du släpper fritt? Trådrullen du släpper fritt roterar inte och faller fortare; den har bara translationsenergi. När du håller i snöret tvingas rullen rotera och faller långsammare eftersom en del av lägesenergin blir rotationsenergi.

• Gör experimentet på golvet istället för på ett bord och låt hjulparen eller burkarna rulla iväg tills de stannar av sig själv. Om de startar med samma energi borde de rulla lika långt (i fallet med hjul eller träkulor startar dock ena paret vid en något högre höjd). Diskutera varför hjulen eller burkarna till slut stannar - var tar energin vägen? Friktion är något som man ofta ignorerar i en idealiserad beskrivning, men som har mycket stor betydelse för verkliga processer.

• Vinkelfrekvens är ett bra begrepp för att beskriva rotation - den är densamma för alla delar av den roterande kroppen. Vad blir farten för delar av kroppen på olika avstånd från rotationsaxeln? Hastigheten v= rw, där r är radien och w är vinkelfrekvensen. Hastigheten, och rörelseenergin, är alltså större på längre avstånd från rotationsaxeln. Här kan man koppla till en konståkare som gör en piruett - läs mer längre ner på sidan.

• I gymnasiematematiken ingår tillräckligt med begrepp för att man ska kunna diskutera hur man kan beräkna rörelseenergin hos ett roterande hjul. Klicka här (PDF, 95KB) för en beskrivning.

Fler exempel på rotationsenergi

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 lite i snöret vandrar kan jojon vandra uppåt (rycket gör att friktionen mellan snöröglan och jojon ökar lite så att snöret vindas upp runt jojons axel). Diskutera vilka energiformer som förekommer då jojon rör sig. Om man låter jojon rotera i sitt nedersta läge stannar den så småningom på grund av friktion - var tar energin vägen?

Kugghjul i leksaksbilar:

En del leksaksbilar är konstruerade så att man tar fart med bilen så att hjulen snurrar, sedan sätter man ner den och då åker den iväg. Det är ganska trögt att ta fart med bilen - skruvar man isär den och tittar inuti kan man få en antydan om 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 stor rotationsenergi. Eftersom rotationen överförs via kugghjulsaxlar med liten radie kommer C dessutom att få en mycket hög hastighet. Det här är samma princip som växlarna på en cykel - studera gärna vilka kugghjul i cykelns växelsystemet som gör vad då du lägger i olika växlar. När leksaksbilen sätts ner och rullar iväg stannar den inte förrän all rotationsenergi hos hjul C är slut.

Konståkare som gör piruetter: En isdansare som gör en piruett snurrar fortare om han eller hon drar in armarna mot kroppen - prova själv på en snurrstol. De delar av en roterande kropp som är långt från rotationsaxlen har störst fart och störst rörelseenergi. Drar åkaren in armarna mot kroppen minskar rörelseenergin. Energi kan inte försvinna, så energiprincipen gör att konståkaren börjar snurra fortare för att bevara rörelseenergin.

Wilberforce-pendel: En Wilberforce-pendel består av en massa upphängd i en spiralfjäder, se film. Pendeln visar en övergång mellan olika former av mekanisk energi. Övergången är möjlig eftersom det i pendeln finns en koppling mellan rotationsrörelse och vertikal rörelse - hade de varit helt frikopplade från varandra hade det inte skett någon energiöverföring mellan dem.

Tillverkning och praktiska råd

Materialalternativ

Som ett alternativ till hjulen kan man använda träkulor med hål som kan köpas på Panduro. Där finns också runda trästavar som passar i hålen. Vi har använt träkulor med diameter 37 mm och hål med diameter 8 mm samt trästavar med diameter 6 mm. Det kan vara en bra ide att beställa något fler träkulor än du tänker använda; det är små variationer i hålstorlek och ibland kan några kulor ha så små hål att trästaven inte passar.

När du sågar av trästaven till lagom längd, försök att göra två lika långa bitar, så att du får två likadana hjulpar. När du beställer kulor, tänk också på att kulorna inte får vara så stora att de rör vid underlaget då kulparet rullar på den list du har.

Till det tredje alternativet kan man 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.

Ordlista