Snurrig energi
Energiprincipen och begreppen lägesenergi, rörelseenergi och rotationsenergi illustreras i det här experimentet. Rotation utan förflyttning innehåller också rörelseenergi - tänk t.ex. på en konståkare som gör en piruett eller vingarna på ett vindkraftverk.
Vad händer i experimentet?
När hjulparen rullar omvandlas lägesenergi till rörelseenergi. Rörelseenergin består av translationsenergi (relaterad till hjulparens förflyttning) och rotationsenergi. Vid slutet av planet har båda hjulparen förlorat lika mycket lägesenergi och har då samma rörelseenergi. Hjulparet som rullar på listen har dock mindre translationsenergi och mer rotationsenergi (hjulen snurrar mycket fortare).
När hjulparet rullar av listen och tar mark omsätts rotationsenergin i translationsenergi och hjulparet ökar hastigheten.
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.
Arbeta med experimentet
Diskutera energiomvandlingar och 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.
Gör experimentet med burkar eller hjul på golvet istället för på ett bord och låt hjulparen eller burkarna rulla iväg tills de stannar. Om de startar med samma energi borde de rulla lika långt (det gör de inte riktigt i verkligheten...). 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.
I gymnasiematematiken ingår tillräckligt med begrepp för att man ska kunna diskutera hur man kan beräkna rörelseenergin hos ett roterande hjul.
Rotationsenergin hos ett hjul (95 KB)
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.
Konståkare
Välkänt exempel: 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.
Leksaksbilar
En del leksaksbilar kan man "ladda upp" med rörelse genom 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 ser man 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 från kugghjul med stor radie till kugghjul med liten radie kommer C dessutom att få en mycket hög hastighet. När leksaksbilen sätts ner och rullar iväg stannar den inte förrän all rotationsenergi hos hjul C är slut.
Kugghjulssystemet bygger på samma princip som hos växlarna på en cykel - studera gärna vilka kugghjul i cykelns växelsystemet som gör vad då du lägger i olika växlar.
Material
Som alternativ till hjulen kan du använda förborrade träkulor från 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. Beställ något fler träkulor än du behöver - det är små variationer i hålstorlek och ibland kan några kulor ha så små hål att trästaven inte passar.
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.
