Fyzikální veličiny (objem, síla, čas, hmotnost)

Objem

Měření objemu znamená měření prostoru, který zabírá měřená látka či těleso. Měří­ cím přístrojem na měření objemu je odměrný válec. Pomocí něj lze přímo měřit objem tekutých či sypkých látek. Objem pevného tělesa změříme snadno jeho ponořením do vody (nebo jiné kapaliny). Objem měřeného tělesa je daný rozdílem objemu vody před jeho ponořením a  po ponoření. Odměrným válcem je možné měřit i  objem plynných látek. Stačí ho naplnit vodou a  otočit do nádoby s  trochou vody tak, aby všechna voda zůstala uvnitř. Hadičkou potom vháníme dovnitř měřený plyn. Odměrný válec lze snadno vyrobit z jakékoliv nádoby vhodné velikosti (například z PET láhve) tak, že do něj přiléváme známé množství vody a postupně kreslíme stupnici. Pozor však na systematickou chybu! Každé fyzikální měření je zatíženo chybou. Když je chyba převážně kladná či naopak záporná, dílčí chyby se mohou při postupném přilévání sčítat. Proto je vhodné po několika krocích vodu vylít a překontrolovat nanášenou stupnici nalitím známého většího množství vody. Takovýto odměrný válec lze použít i na výrobu spirometru(přístroje na měření objemu plic). Objem plic dospělého muže je zhruba 4,5 litru, proto je vhodné použít kanystr s objemem 5 litrů.

Hmotnost

Na určování hmotnosti se používají váhy založené na různých principech. Běžné jsou rovnoramenné váhy fungující na principu porovnávání hmotnosti váženého tělesa se známými hmotnostmi závaží. Nejčastěji se používají váhy fungující na principu de­ formace pružného tělesa. Ty jsou založeny na měření míry deformace pružného tělesa (například pružiny). Váhu lze snadno zkonstruovat z  běžných kancelářských potřeb. Je možné využít například pružinu, gumičku, pravítko. Deformovaný předmět na jednom konci pevně uchytíme a deformujeme zatížením druhého konce. V blízkosti umístíme list papíru, na který nakreslíme stupnici za pomoci závaží známých hmotností.

Čas

Čas se zaznamenával a určoval už v době před neolitem (8 000 před n. l.). Od počátku se na určení aktuálního období využívaly přírodní jevy, které se s pravidelností opakovaly. Nejzřetelněji a  nejsnadněji pozorovatelné objekty, které vykazovaly největší přesnost ve svých periodických opakováních, a  tedy dalo se podle nich přesně určit aktuální období, byly Slunce, Měsíc a  hvězdy. Určit podle nich aktuální čas nebo roční období nebylo jednoduché. Proto musely přijít snadněji pochopitelné metody měření. Hlavně z praktických důvodů – kvůli měření času. Na měření času se začaly využívat přesýpací nebo vodní hodiny, které pracují na stejném principu (z horní nádoby se tekutina přelila nebo písek přesypal za určitou dobu do dolní nádoby). Na těchto hodinách jste ale nepoznali, kolik je právě hodin. Na tento účel se začal využívat jiný systém – sluneční hodiny.¹⁾

Výroba slunečních hodin

Výroba slunečních hodin není náročná. Postačí nám tyč zapíchnutá do země nebo připevněná na svislou plochu. Potom stačí jen sledovat čas na hodinkách a  každou celou hodinu zaznamenat polohu stínu. Sluneční hodiny lze vyrobit i  z  papíru. Aby sluneční hodiny pracovaly správně, musí mít ukazatel rovnoběžný směr se zemskou osou. Pro naši zeměpisnou šířku to znamená sklon ukazatele asi 50 ° od vodorovného směru, přičemž ukazatel směřuje na sever (Obrázek 3). V  případě umístění hodin na svislé stěně, musí ukazatel svírat se svislicí zhruba 40° a při pohledu shora směřovat na jih.

Kvůli sklonu zemské osy a eliptičnosti trajektorie Země okolo Slunce, se Slunce po ob­ loze během roku nepohybuje rovnoměrně. Proto se sluneční hodiny během roku předbíhají či opožďují. Rozdíl oproti rovnoměrnému času, který ukazují hodinky je až 16 minut. Proto bývají sluneční hodiny vybaveny korekční tabulkou (Obrázek 4). Podle aktuálního data najdeme v tabulce hodnotu v minutách, kterou je nutné přičíst nebo odečíst.

Při konstruování slunečních hodin proto máme dvě možnosti:

1. Můžeme na číselník vynést pravý sluneční čas. Hodiny poté vybavíme korekční tabulkou zahrnující i korekci pro zeměpisnou délku.
2. Při cejchování číselníku už zahrneme časové opoždění dané zeměpisnou délkou. Hodiny jsou poté vybaveny korekční tabulkou zahrnující jen korekci podle data.

Sila

Siloměry jsou zpravidla založeny na principu deformace pružného tělesa (především pružiny). Na základě tohoto principu lze pomocí běžných materiálů zkonstruovat siloměr na měření tahové síly. Postačí nám gumová potravinářská hadice (cca 3 m dlouhá). Hadici přivážeme jedním koncem k  pevnému úchytu. Za druhý konec postupně tahají všichni žáci. Kdo natáhne hadici nejvíce, působil největší silou. Na objektivizaci měření je vhodné nakreslit na hadici rysku a na papír umístěný v blízkosti zakreslovat nejlepší výkony. Pokud na hadici připevníme závěsnou váhu, za kterou budeme tahat, můžeme opatřit náš siloměr i  regulérní stupnicí v  Newtonech. Dalším netradičním a  velmi jednoduchým siloměrem měřícím sílu stisku je PET láhev, kterou naplníme vodou, vložíme různě dlouhé hlavičky zápalek a zazátkujeme. Jde o princip fyzikální hračky zvané karteziánek. Když PET láhev stlačíme, vzduch obsažený v zápalkách je stlačen a zároveň je do objemu dřívka zápalky vtlačena voda. Hustota zápalky se zvýší a ta začne klesat ke dnu. Jelikož je každá zápalka odstřižena s různě dlouhým koncem dřívka, je potřebná různě velká síla na její potopení. Kdo potopí více zápalek, vyhrává. Pozor, zápalky se časem nasáknou vodou a siloměr přestane fungovat.