מסלולי התמדה
מה רואים?
שתי מסילות זהות, שעליהן שתי דִסקיות ממתכת זהות בגודלן. המסה של הדסקיות אומנם זהה, אך בדסקית אחת ששת הכדורים קרובים לציר הסיבוב (דסקית "מרוכזת"), ובשנייה הם רחוקים ממנו (דסקית "מפוזרת").
מה עושים?
הניחו את שתי הדִסקיות בתחילת המסלול ותנו להן להתגלגל. נסו לנחש: האם הן יתגלגלו במהירות שווה? אם לא – מי מהן תגיע ראשונה לתחתית המסילה?
מה מגלים?
לאחר הניסוי נבחין שהדִסקית המרוכזת צוברת מהירות רבה יותר מחברתה המפוזרת, ושהיא גם מתגלגלת למרחק הרב ביותר. הסיבה לכך טמונה בחוק פיזיקלי בשם מומנט ההתמדה, ולפיו ככל שמסת גוף מרוכזת קרוב יותר לציר הסיבוב שלו, כך קל יותר לסובב אותו.
במקרה שלנו הכדורים שעל גבי הדסקית המרוכזת, ושמהווים את מרכז המסה שלה, קרובים יותר לציר הסיבוב מאשר בדסקית המפוזרת; לכן קל יותר לסובב אותה. אפשר לחשוב על זה גם כך: קל יותר לסובב גוף כלשהו במעגלים קטנים מאשר במעגלים גדולים.
לדוגמה, רקדנית שמחליקה על הקרח ומסתובבת על צירה. כשהיא תרים את ידיה מהירותה תקטן, וכשתקרב את ידיה אל גופה (כלפי מטה או מעלה) מהירותה תגדל.
מושגים מדעיים
אנרגיה פוטנציאלית: אנרגיית גובה. זוהי האנרגיה שאצורה בגוף עקב מצבו בשדה הכבידה: למשל הגובה שלו ביחס לפני כדור הארץ.
אנרגיה קִינֵטית: אנרגיית תנועה, שמושפעת ממהירותו של גוף כשהוא נע ומהמסה שלו. מכונה גם אנרגיית מהירות.
מומנט התמדה: תכונתו של גוף בעל מסה להתנגד לשינויים במצבו.
חוק שימור האנרגיה: העיקרון שלפיו כמות מסוימת של אנרגיה נשארת קבועה במערכת סגורה. אנרגיה יכולה להחליף צורה אך אינה אובדת או מופיעה יש מאַין.
סקרנים לדעת עוד?
תופעה נוספת המתרחשת במוצג זה היא אנרגיה פוטנציאלית־כובדית: כששתי הדסקיות בשיא הגובה הן בעלות אנרגיית גובה מקסימלית. כשהן מתחילות להתגלגל מטה מומרת אנרגיית הגובה לאנרגיית מהירות (אנרגיה קינטית), שמגיעה לשיאה בתחתית המסילה: אז הן נתקלות בעלייה, מהירותן נבלמת ולבסוף הן נעצרות ומתגלגלות חזרה מטה.
לאנרגיה קינטית של גוף בסיבוב קיימות שתי צורות ביטוי: מהירות קווית ומהירות סיבובית. בדסקית המפוזרת האנרגיה הקינטית מתבטאת בעיקר בצורת סיבוב, ואילו בדסקית המרוכזת המהירות הקווית גבוהה יחסית. עם זאת, מספר הסיבובים של שתי הדסקיות לאורך המסלול זהה.
מדוע הדסקית המרוכזת הגיעה לגובה רב יותר מחברתה המפוזרת?
מפני שהתנגדות האוויר שפועלת על דסקית זו קטנה יותר מההתנגדות שפועלת על הדסקית המפוזרת. במילים אחרות, כל משקולת (כדור) בדסקית המפוזרת עוברת מרחק רב יותר בתוך האוויר בהשוואה למשקולת בדסקית המרוכזת. לכן כוח החיכוך עם האוויר מבצע עבודה גדולה יותר על הדסקית המפוזרת, והיא מאבדת אנרגיה רבה יותר.