Newtonova houpačka - rázostroj z kuliček

28. 04 2010 | 06.00

rázostrojOblíbenou dekorací fyzikálních kabinetů je houpačka sestavená z několika v řadě za sebou stejně velikých tvrdých kovových kuliček zavěšených na dvojitých závěsech. Vychýlením jedné nebo několika kuliček z klidové polohy a jejich následné puštění vyvolá periodický kmitavý pohyb dalších kuliček, které odskočí z druhého konce řady kovových kuliček. Tomuto zařízení se říká rázostroj, ale bývá označováno také jako Newtonova houpačka, i když původní myšlenka rázostroje pochází od francouzského fyzika Edme Mariotta (1676).

 

 

Rázostroj slouží k velmi názorné demonstraci srážek kuliček a tím pádem k objasňování dvou významných fyzikálních zákonů - zákona zachování hybnosti a zákona zachování mechanické energie. Protože povrch kuliček bývá tvrdý a kuličky jsou kvůli odstranění boční výchylky na dvojitém závěsu, dochází téměř k dokonale pružným srážkám, při kterých kuličky dále kmitají. Podle kvality provedení rázostroje mohou kuličky  kmitat dostatečně dlouhou dobu, než se vlivem odporových sil a působící třecí síly v závěsech, časem zastaví. Jde o téměř dokonale izolovanou soustavu, kde se dodaná energie přeměňuje ve své další formy: například potenciální energie vychýlené kuličky se při jejím puštění mění na pohybovou energii a také na teplo. Přesto bývá rázostroj z neznalosti obchodníků prodáván pod nesmyslnými názvy jako perpetuum mobile.

 

Zákon zachování hybnosti demonstrujeme vychýlením jedné z krajních kuliček. Po uvolnění dojde nárazu padající kuličky do kuliček v klidu. Přitom je přenášena hybnost z jedné dotýkající se kuličky na druhou až u poslední dojde k jejímu výkyvu, ale ostatní zúčastněné kuličky zůstanou bez pohnutí na svých místech. Celková hybnost takové izolované soustavy tvořené kyvadélky z kuliček se podle druhého Newtonova zákona nemění s časem. Hybnost se přenese přes dotýkající se kuličky na poslední kuličku, která je stejnou rychlostí jako padající kulička vymrštěna vzhůru.

 

Ověřování zákona zachování mechanické energie spočívá v tom, že se vychýlí najednou dvě a více krajních kuliček. Pak se na druhém konci  rázostroje oddělí vždy stejný počet kuliček jako bylo vychýlených na počátku.

 

Dnes bývá čím dál více využíván  rázostroj jako zajímavá dětská hračka a v luxusnějším provedení jako mechanická dekorace bytů, pracoven či kanceláří. Periodické kmitání a ťukání kuliček rázostroje bývá spojováno spíše s relaxačními účinky než s fyzikálním rozborem problémů.