Gimnazijalci, četvrti razred, Mala centrifuga – velika svemirska ideja

 

Veštačka gravitacija i izrada jednostavnog centrifugalnog separatora

1.  UVOD

U naučnoj fantastici često se prikazuju svemirske stanice i brodovi prstenastog oblika koji rotiraju oko svoje ose kako bi stvorili veštačku gravitaciju. Ideja se zasniva na principima kružnog kretanja – rotacijom se generiše centripetalno ubrzanje koje posmatrač unutar sistema doživljava kao silu sličnu gravitaciji.


 

Dugotrajan boravak u bestežinskom stanju dovodi do fizioloških promena, poput gubitka koštane gustine, smanjenja mišićne mase i promena u radu kardiovaskularnog sistema. Veštačka gravitacija mogla bi ublažiti ove negativne efekte i omogućiti uslove sličnije onima na Zemlji.

Međutim, uprkos čestom pojavljivanju u filmovima, rotirajuće svemirske stanice sa veštačkom gravitacijom još uvek nisu realizovane u praksi. Razumevanje fizičkih principa rotacije i centripetalnog ubrzanja ključno je za sagledavanje tehničkih izazova njihove izgradnje.

Kako stvoriti gravitaciju u svemiru?

Kada se neka stanica okreće, nastaje ubrzanje ka centru kružnog kretanja. Osoba unutar takvog sistema ima osećaj kao da je “pritisnuta” ka spoljašnjem zidu – slično kao da stoji na podu na Zemlji.

Zašto je to važno?

·       U bestežinskom stanju kosti i mišići slabe.

·       Dug boravak u svemiru utiče na zdravlje astronauta.

·       Svakodnevne aktivnosti postaju znatno teže.

Veštačka gravitacija mogla bi pomoći da se ovi problemi smanje. Ali kolika brzina je potrebna? Koliki mora biti svemirski brod? Da li je takav sistem tehnički izvodljiv?

U ovom projektu istražujemo upravo ta pitanja.

Ovaj projekat povezuje koncept veštačke gravitacije sa praktičnom izradom jednostavnog centrifugalnog separatora. Učenici istražuju kako rotaciono kretanje može stvoriti efekat “veštačke gravitacije” i kako se ta pojava primenjuje u razdvajanju supstanci različite gustine.

Projekat integriše: - mehaniku (kružno kretanje) - dinamiku (centripetalna sila) - pojmove inercijalnih i neinercijalnih sistema - primenu u tehnici i medicini (centrifuge)

2. CILJEVI PROJEKTA

·       razumeti pojam centripetalnog ubrzanja

·       objasniti pojam “veštačke gravitacije”

·       eksperimentalno pokazati dejstvo centrifugalnog efekta

·       konstruisati jednostavan centrifugalni separator

·       analizirati zavisnost razdvajanja od ugaone brzine

3. TEORIJSKA OSNOVA

Veštačka gravitacija

Kod rotacionog kretanja javlja se centripetalno ubrzanje:

a = v² / r

a = ω² r

U rotirajućem sistemu posmatrač ima osećaj delovanja sile ka spolja (centrifugalni efekat). Ta pojava se može tumačiti kao veštačka gravitacija.

Efektivno “gravitaciono” ubrzanje u rotirajućem sistemu:

gef = ω² r

___________________________________________________________________________________

4. Materijali i oprema

  • Pametni telefon s dopuštenjem preuzimanja aplikacije za akcelerometar koja može snimati podatke
  • Čvrst kanap ili tanje uže
  • Mala kartonska kutija
  • Podloga od pene (stiropora)
  • Samolepljiva traka
  • Makaze
  • Trajni marker
  • Merna traka
  • Štoperica
  • Pristup otvorenom prostoru ili velikoj prostoriji bez prepreka

5. Postupak:

Napravite podstavljenu kutiju za telefon. Ova kutija će zaštititi vaš telefon dok ga vrtite (i za slučaj da se uzica prekine ili da ga slučajno ispustite). Telefon treba biti položen ravno (ne pod uglom) i čvrsto prianjati unutar kutije bez klizanja.



1.       Izbušite dve male rupe na suprotnim stranama kutije, nekoliko centimetara od ivice. Provucite konac kroz njih. Umesto da vežete čvor na konopcu, možete ga jednostavno držati za oba kraja dok ga vrtite.

2.       Idite na otvoren prostor bez prepreka (najbolje je mekana površina, poput trave) i vežbajte njišući telefon u prečniku od 1-2 m, ispočetka lagano! Pazite da to možete učiniti sigurno i da vam se kutija i uzica ne pokidaju.



Pogled na eksperiment odozgo

 

1.       Većina modernih pametnih telefona sadrži akcelerometre, elektronske senzore koji mogu meriti ubrzanje. Potražite i preuzmite aplikaciju za akcelerometar na svoj telefon. Većina ovih aplikacija  će beležiti ubrzanje u tri smera označena sa X, Y i Z .


2.       Trebali biste pronaći aplikaciju koja vam omogućava snimanje podataka (za razliku od samo prikaza trenutnih podataka). Za svoj eksperiment, treba da zabeležite ubrzanje koje pokazuje duž poluprečnika vašeg kruga (prema unutra na slici), a ne tangencijalno na krug ili gore/dole.

3.       Pomoću merne trake, lepljive trake i trajnog markera označite radijuse koje planirate testirati. Na primer, možete testirati u koracima od 0,5 m. Biće teško vrteti sa radijusom većim od nekoliko metara, ali pokušajte ići što više možete.

4.       Za provođenje jednog eksperimenta:

1.       Pazite da ste na otvorenom prostoru bez prepreka i da vaš pomoćnik stoji na sigurnoj udaljenosti sa štopericom.

2.       Otvorite aplikaciju akcelerometra i počnite snimati podatke.

3.       Sigurno stavite telefon u kutiju sa zaslonom okrenutim prema gore kako biste mu mogli pristupiti.

4.       Držite konopac na jednoj od oznaka za dužinu i počnite ga vrteti iznad glave. Potrudite se vrteti konopac konstantnom brzinom, dovoljno brzo da konopac ostane uglavnom vodoravan.

5.       Nakon što ste podesili telefon da se okreće konstantnom brzinom, vaš pomonik treba da koristi štopericu kako bi izmerio koliko vam je vremena potrebno da napravite 10 punih obrtaja. Napravi 10 obrtaja i izračunaj srednju vrednost kako biste uzeli u obzir varijacije u brzini rotacije.

6.       Polako zaustavi telefon nakon što pomoćnik zabeleži vreme za 10 okretaja.


Br.merenja

r

(m)

t za 10 obrtaja
(s)

T za 1 obrtaj
(s)

v
(m/s)

Eksperimentalno acp
(m/s²)

Izračunato acp
(m/s²)

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Srednja vrednost acp

Srednja vrednost acp


1.       Zabeležite poluprečnik i vreme za 10 obrtaja u tabelu

2.       Izračunaj prosečno eksperimentalno centripetalno ubrzanje tokom  10 punih obrtaja. Da biste to učinili, možda ćete morati izrezati snimljene podatke. Slika (ispod) prikazuje primer jednog potpunog pokušaja. Obratite pažnju na to kako podaci imaju periode "povećanja" i "smanjivanja" na početku i kraju. Vama su potrebni samo podaci iz srednjeg dela gde se telefon vrteo približno (ali ne savršeno) konstantnom brzinom. Neke dostupne aplikacije omogućavaju vam da izrežete podataka i automatski će računati prosečnu vrednost.

3.     Ponovite korak 6 još dva puta, za ukupno tri pokušaja na ovom poluprečniku i brzini. Potrudite se da svaki put zamahujete telefonom istom brzinom.

4.     Ponovite korake 6–9, ali ovaj put zamahnite telefonom malo brže.

5.     Ponovite korake 6–9, ali zamahnite telefonom što brže možete (budite oprezni!).

6.     Prebacite se na novi radijus i ponovite korake 6–11. Ponovite ove korake za svaki radijus koji želite testirati.

7.       Za svako merenje, izračunaj teorijsko centripetalno ubrzanje i zabeleži  vrednost u svoju tabelu. To možeš učiniti pomoću jednačine acp = v² / r, ali je lakše pretvoriti ovu jednačinu u oblik koji koristi period rotacije, T , umesto linearne brzine: acp = 4π²r / T²

Gde je acp   centripetalno ubrzanje (m/s²)

                      r je poluprečnik (m)

T je vreme jednog obrta(s).

Imajte na umu da je vaš pomoćnik zabeležio vreme za 10 obrtaja (moraćete to vreme podeliti sa 10).

8.       Linearnu brzinu izračunaj koristeći jednačinu: v = 2r π / T

9.     Za svaki radijus koji ste testirali, napravite graf centripetalnog ubrzanja (i teorijskog i eksperimentalnog) u odnosu na brzinu.

1.     Kakav je odnos između centripetalnog ubrzanja i brzine? Je li to ono što očekujete na osnovu jednačine  acp = v² / r?

2.     Kakav je odnos između centripetalnog ubrzanja i radijusa? Je li to ono što ste očekivali na temelju jednačine acp = v² / r?

3.     Nacrtaj grafik zavisnosti centripetalnog ubrzanja u funkciji poluprečnika.

 

10. Odgovaraju li vaši eksperimentalni rezultati vašim proračunima? Ako nisu isti, šta je moglo uzrokovati razliku?

11.  Uporedi srednju vrednost acp (eksperimentalnu) sa g = 9,81 m/s² (izračunaj odnos acp / g)

12.  Izračunaj kolika ugaona brzina je potrebna da bi se na poluprečniku r = 0,5 m dobilo efektivno ubrzanje jednako Zemljinoj gravitaciji (g = 9,81 m/s²)

13.  Na temelju vaših eksperimenata i teorijskog uvoda, imate li preporuke za svemirsku stanicu koja može generirati veštačku gravitaciju sličnu Zemljinoj, ali ne uzrokuje mučninu kretanja ili druge probleme astronautima?

Ako ne želite reskirati vrteći telefon na konopcu, možete napraviti manju verziju ovog eksperimenta koristeći centrifugu za salatu.

6.Primeni: Napravi jednostavni centrifugalni separatora

Postupak izrade možete pratiti na sledećim linkovima (izaberi jedan):

https://youtu.be/2ymXk67MAcs

https://www.youtube.com/watch?v=7SOz0HyaRdw

*                

Princip centrifuge

Centrifuga razdvaja supstance različite gustine jer:

·       teže čestice imaju veću inerciju

·       pri rotaciji se udaljavaju od ose

·       lakše supstance ostaju bliže centru

Brzina razdvajanja zavisi od: - ugaone brzine - poluprečnika rotacije - razlike u gustini

*               .3. Postupak rada

1.       Napravi separator prema uputstvu sa linka

2.       Postepeno povećavati brzinu rotacije.

3.       Posmatrati razdvajanje smeše.

4.       Meriti vreme potrebno za razdvajanje.

5.       Ponoviti za različite brzine.

7. DISKUSIJA

Razmotriti:

·       Kako ugaona brzina utiče na efikasnost razdvajanja supstanci različite gustine?

·       Da li je moguće simulirati Zemljinu gravitaciju rotacijom?

·       Koliki bi poluprečnik bio potreban za svemirsku stanicu?

·       Koja su tehnička ograničenja?

·       Uporedi centripetalno ubrzanje u centrifugalnom separatoru sa gravitacionim (acp/g)

·       Gde se centrifuge koriste u medicini i hemiji?

 

8. BEZBEDNOSNE MERE

·       Obavezno koristiti zaštitne naočare.

·       Ne koristiti prevelike brzine.

·       Voditi računa o balansu sistema.

·       Raditi pod nadzorom starije osobe.

Rok za slanje radova je 15.mart 2026.

Коментари

Постави коментар

Популарни постови са овог блога

Gimnazijalci, prvi razred: Fizika pod haubom

Слика
Fizika pod haubom: merimo konjsku snagu autića Šta je konjska snaga? Konjska snaga (KS) je jedinica za merenje snage, odnosno brzine kojom se obavlja rad. Snaga nam govori koliko brzo neka mašina, motor ili sila može da obavi određeni posao — podigne teret, pomeri predmet ili savlada otpor. Pojam konjske snage potiče iz 18. veka, kada je inženjer Džejms Vat želeo da uporedi efikasnost parnih mašina sa snagom pravog konja, koji je tada bio glavno sredstvo rada u industriji i poljoprivredi. Tako je nastao praktičan način da ljudi lakše razumeju koliko je neka mašina “snažna”. Kako se definiše? Jedna konjska snaga definiše se kao: 1 KS = 745,7 vati To znači da mašina od 1 KS može da obavi isti rad kao kada bi se 745,7 džula energije oslobađalo svake sekunde. Jedinica konjska snaga nekada se mnogo češće koristila u svakodnevnom merenju snage različitih mašina, dok se danas pre svega koristi za označavanje snage motora automobila. Zašto je ovo važno u nastavi fizike? Kro...
Прикажи све

Osnovci, 8. razred: Koji materijal najbolje apsorbuje zvuk?

Слика
  Koji materijal najbolje apsorbuje zvuk?   Cilj zadatka: Da li ste se nekad zapitali zašto neke sobe deluju tiše od drugih? Ili zašto su bioskopi i muzički studiji obloženi posebnim materijalima? U ovom eksperimentu istražićemo kako različiti materijali utiču na apsorpciju zvuka! Kroz zabavne i jednostavne korake otkrićemo koji materijal najbolje "upija" zvučne talase, a koji ih najviše odbija. Možda ćete otkriti kako da svoju sobu učinite savršenim mestom za slušanje muzike ili učenje, kao i kako se ovi principi koriste u studijima za snimanje i na koncertima! Potrebni materijali: Zvučni izvor : Telefon sa aplikacijom za generisanje zvuka. Preporučene aplikacije: ü   "Tone Generator" (Android) ü   "Freq Generator" (iOS) Mikrofon ili aplikacija za merenje jačine zvuka : Preporučena aplikacija: ü   "Decibel X" (Android/iOS) ü   "Sound Meter" ...
Прикажи све

Gimnazijalci, četvrti razred- Fizika skrivena u medicinskim slikama

Слика
 Indeks prelamanja i gustina: Fizika skrivena u medicinskim slikama                                             Ciljevi projekta Eksperimentalno izmeriti brzinu svetlosti u želatinu koristeći laser i Snellov zakon. Primeniti razumevanje optike, indeksa prelamanja i osnovne trigonometrije. Istražiti kako različiti faktori mogu uticati na indeks prelamanja (npr. dodatak šećera u želatinu) — i povezati to sa ekološkim / zdravstvenim razmatranjima. Uvod i teorija Kada svetlost prelazi iz jednog medijuma u drugi (npr. iz vazduha u želatin), menja pravac — taj proces opisuje Snellov zakon. Snellov zakon: gde su: : indeksi prelamanja medijuma, : ugao upada svetlosnog zraka (u odnosu na normalu), : ugao prelamanja. Indeks prelamanja   medijuma je povezan sa brzinom svetlosti u tom ...
Прикажи све