Rázostroj

Rázostroj neboli Newtonova houpačka je zařízení k názorné demonstraci srážek a zákonů zachování energie a hybnosti. Základem konstrukce je několik koulí umístěných na závěsu bezprostředně vedle sebe. Pro odstranění boční výchylky je závěs dvojitý. Často se rázostroj také využívá jako zajímavý doplněk kanceláře nebo pracovny.

Konstrukce

Jde o řadu kyvadel na dvojitém závěsu. Jako závaží těchto kyvadel se používají pravidelné koule (stejně velké a hmotné). Materiálem těchto závaží bývá kov, někdy také sklo nebo dřevo. Důraz je ovšem kladen především na tvrdost.

Fyzika rázostroje

Na rázostroji se pozorují jevy související s výměnou kinetické energie a hybnosti a to konkrétně při kolizi jednotlivých koulí. Materiál musí být tvrdý, aby docházelo pokud možno k ideálně pružným srážkám – energie se při srážce nesmí přeměňovat v teplo ani v deformační energii. Žádný rázostroj ve skutečnosti nepracuje beze ztráty (viz perpetuum mobile), ovšem může být v chodu velmi dlouhou dobu. Jedná se o téměř dokonale izolovanou soustavu, neboť při pohybu koulí je zanedbatelný odpor vzduchu i práce potřebná k ohnutí (deformaci) nití nebo vlasců, na kterých jsou koule zavěšeny.

Hybnost

Základním pokusem je ukázka zákona zachování hybnosti – jedno z krajních kyvadel je vychýleno a po uvolnění dojde k pohybu a srážce závaží. Hybnost je z jednoho dotýkajícího se závaží přenášena na druhé a až u posledního dojde k výkyvu. Ostatní zúčastněné koule zůstanou bez pohnutí na svých místech.

Vysvětlení: Z druhého Newtonova zákona vyplývá, že hybnost izolované soustavy (rázostroje) zůstává v čase konstantní. Celková hybnost v okamžiku první srážky se rovná m.v (m – hmotnost pohybující se koule, v – rychlost pohybující s koule). Hybnost se přenese přes dotýkající se koule a poslední kouli, která má stejnou hmotnost jako první, je rychlostí v vymrštěna pryč.

Kinetická energie

Dalším pokusem je vychýlení dvou a více krajních závaží najednou. Při uvažování pouze zákona zachování hybnosti by se dalo očekávat, že poslední koule bude vymrštěna dvojnásobnou rychlostí ($\left(2m\right)v=m\left(2v\right)$). K tomu ovšem nedojde a místo toho jsou vychýlena dvě krajní kyvadla.

Vysvětlení: Kromě zákona zachování hybnosti platí i zákon zachování energie izolované soustavy. V okamžiku srážky především energie kinetické, která se rovná $\frac{1}{2}m{v}^2$.

Oba zákony zachování musí platit vždy a tedy při vychýlení dvou kyvadel:

$2mv=MV$,

$\frac{1}{2}2m{v}^2=\frac{1}{2}M{V}^2$,

kde M je neznámá hmotnost, která by měla být odmrštěna a V rychlost tohoto odmrštění.

Z uvedené soustavy dvou rovnic plyne řešení:

$V=v$

$M=2m$

Historie rázostroje

Původní idea pochází od francouzského fyzika Edme Mariotta (1676). Rázostroj byl dlouho oblíbený především jako dětská hračka a v současnosti je možné ho sehnat jako zajímavou dekoraci.

Další podobná zařízení

Kromě lineárně řazených závaží existují i složitější rázostroje plošné a například i kulečník je typickým představitelem tohoto typu zařízení – zde ovšem do hry vstupují i vektory.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Rázostroj na Wikimedia Commons
• Srážky a rotace, Rázostroj: https://web.archive.org/web/20070108010341/http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/sr_rot/kap9.htm
• Videopokusy, Rázostroj: http://kdfls1.troja.mff.cuni.cz/…
• Newtonova houpačka (Java): https://web.archive.org/web/20070715145500/http://www.walter-fendt.de/ph14cz/ncradle_cz.htm