Är det möjligt att falla nedåt och accelerera uppåt – samtidigt?

Som fysiklärare är du säkert bekant med en så kallad ”slinky” eller trappfjäder. Du använder den kanske inom mekaniken eller för att illustrera gravitation, t.ex. då slinkyn vandrar nerför en trappa.

Slinky

En slinky eller trappfjäder (foto: Markus Norrby)

Detta är ett sammandrag av artikeln ”Can Something Accelerate Upwards While Falling Down?” (http://www.scienceinschool.org/content/can-something-accelerate-upwards-while-falling-down) i senaste nummer av tidskriften Science in School (http://www.scienceinschool.org/). Författare är Markus Norrby och Robin Peltoniemi. Markus är lärare i fysik vid Vasa Övningsskola och resursperson inom RC, Robin är hans studerande.

Håller du en slinky i dess övre kant tänjer den under sin egen vikt. Då du sedan släpper den kommer den nedersta delen av slinkyn inte att falla eller röra sig förrän hela den uttänjda slinkyn dragit ihop sig. Detta är svårt att hinna uppfatta med blotta ögat, men du kan känna det om du placerar din hand precis under den uttänjda slinkyn innan du släpper ner den. Se fenomenet i slow motion på t.ex.

Detta kan ge upphov till följande forskningsfråga:

Då accelerationen av den nedre delen av slinkyn är noll, vad är då accelerationen i slinkyns övre del under själva fallet?

I texten presenteras en modellstudie med hjälp av en slinky, ett måttband, en trefot, en videokamera/smarttelefon och ett verktyg för videoanalys (t.ex. Tracker, Pasco Capstone). Utförandet av undersökningen beskrivs ingående i nio steg.

Några tankar kring resultaten som framkommer i texten är:

  • Accelerationen är i fokus och därför brukar studerande vanligen börja analysera accelerationen mot tiden. Detta brukar dock inte resultera i ett entydigt mönster. Däremot brukar ett diagram med tid mot hastighet vara mer åskådligt.
  • Granskar man inspelningen noggrant kan man notera att det enbart är den översta delen av slinkyn som rör sig. Alla övriga delar beter sig precis som den nedersta delen: de hänger stilla i luften tills de träffas av den översta slinkydelen.
  • Filmsekvenserna visar att accelerationen i slinkyns topp är enorm under de första millisekunderna under fallet, därefter minskar hastigheten med en konstant acceleration på ca 10 m s-2, dvs mycket nära tyngdaccelerationen på 9,8 m s-2. Resultat blir det samma efter upprepade försök, med slinkyn av olika material och diameter.

 Slinky4

Redo för nedsläpp.

Slinky3
Analys av accelerationen hos en fallande slinky. För detaljer: se originalartikeln (foto: Markus Norrby).

Diskutera gärna resultaten i klassen. Förklaringarna inbegriper förutom flera ekvationer också osäkerhetsfaktorer i undersökningen som bör beaktas.

Intressant i sammanhanget är att denna, till synes enkla, övning även varit underlag för flera vetenskapliga publikationer. Trots det saknas det fortfarande en enkel modell som kan förklara alla detaljer kring denna fallrörelse.   

Originalartikel:
Norrby, M. & Peltoniemi, R. (2016). Can Something Accelerate Upwards While Falling Down? Science in School, The European Journal for Science Teachers, 37, sid. 25-28.

Cecilia Lundberg, RC:s koordinator