Turnaj mladých fyziků – zadání úloh pro školní rok 2015/2016 (29. ročník soutěže)

1. Invent yourself

Truly random numbers are a very valuable and rare resource. Design, produce, and test a mechanical device for producing random numbers. Analyse to what extent the randomness produced is safe against tampering.

2. Lagging Pendulum

A pendulum consists of a strong thread and a bob. When the pivot of the pendulum starts moving along a horizontal circumference, the bob starts tracing a circle which can have a smaller radius, under certain conditions. Investigate the motion and stable trajectories of the bob.

3. Acoustic Lens

Fresnel lenses with concentric rings are widely used in optical applications, however a similar principle can be used to focus acoustic waves. Design and produce an acoustic lens and investigate its properties, such as amplification, as a function of relevant parameters.

4. Super Ball

Throw a highly elastic ball into the space between two plates. The ball starts bouncing and under some circumstances can even be projected back to you. Investigate the motion of the ball and parameters influencing the motion, including the orientation of the plates.

5. Ultrahydrophobic Water

Set a dish filled with soapy water onto a loudspeaker or other vibrator. When it oscillates, it is possible to hold small droplets on its surface for a long time. Explain and investigate the phenomenon.

6. Electric Honeycomb

Set a vertically oriented steel needle over a horizontal metallic plate. Place some oil onto the plate. If you apply constant high voltage between the needle and the plate, a cell structure appears on the surface of the liquid. Explain and investigate this phenomenon.

7. Hot Water Fountain

Partially fill a Mohr pipette with hot water. Cover the top of the pipette with your thumb. Turn the tip upwards and observe the fountain exiting the tip. Investigate the parameters describing the height of the fountain, and optimize them to get the maximum height.

8. Magnetic Train

Button magnets are attached to both ends of a small cylindrical battery. When placed in a copper coil such that the magnets contact the coil, this "train" starts to move. Explain the phenomenon and investigate how relevant parameters affect the train's speed and power.

9. Water Waves

Generate a water wave with a vertically oscillating horizontal cylinder. When varying the excitation frequency and/or amplitude, the water seems to drift away from or towards the cylinder. Investigate the phenomenon.

10. Light Rings

Let a liquid jet fall onto a surface. If the contact point is illuminated by a laser beam, rings of light around the jet can be observed (see Figure). Investigate the light rings and determine how they depend on relevant parameters of the whole system.

11. Rolling on a Disc

If you put a light rolling object (e.g. a ring, a disc, or a sphere) on a horizontal rotating disc, it may start moving without being expelled from the disc. Explain how different types of motion depend on the relevant parameters.

12. Van der Pauw Method

It is known that conductivity of a material can be measured independently of the sample shape, as long as the sample has one border (no holes). To what extent can such a method be applied? Investigate and explain such measurements if the sample has holes.

13. Paper Vice

Take two similar paperback books and interleave a few pages at a time. Push the books together. Hold the two books by their spines and try to pull them apart. Investigate the parameters that set the limits of being able to separate the books.

14. Sensitive Flame

A combustible gas (e.g. propane) streams vertically out of a fine nozzle and then through a fine metallic mesh at a distance of about 5 cm. The gas is lit and produces a flame above the mesh. Under some circumstances, this flame reacts very sensitively to sound. Investigate the phenomenon and the relevant parameters.

15. Contactless Calliper

Invent and construct an optical device that uses a laser pointer and allows contactless determination of thickness, refractive index, and other properties of a glass sheet.

16. Frisbee Vortices

When a vertical plate is partially submerged in water and pulled in a direction normal to the plate, a pair of vortices is created in the surface of the water. Under certain conditions, these vortices travel along the surface for a long distance. Investigate the parameters influencing the motion and stability of these vortices.

17. Crazy Suitcase

When one pulls along a two wheeled suitcase, it can under certain circumstances wobble so strongly from side to side that it can turn over. Investigate this phenomenon. Can one suppress or intensify the effect by varied packing of the luggage?

1. Vynalezněte sami

Skutečně náhodná čísla jsou velice cenná a vzácná. Navrhněte, vytvořte a otestujte mechanické zařízení pro generování náhodných čísel. Vyšetřete, do jaké míry je náhodnost odolná proti zfalšování.

2. Vlečené kyvadlo

Kyvadlo je tvořeno silným vláknem a závažím. Když se začne závěs kyvadla pohybovat po vodorovné kružnici, závaží začne opisovat kružnici, jejíž poloměr může být za určitých podmínek menší. Prozkoumejte pohyb a stabilní trajektorie závaží.

3. Akustická čočka

Fresnelovy čočky se soustřednými prstenci jsou velice často používány pro optické aplikace, ale podobný princip může být využit ke koncentraci akustických vln. Navrhněte a vytvořte akustickou čočku a prozkoumejte závislost jejích vlastností, například zesílení, na příslušných parametrech.

4. Hopík

Vhoďte velmi pružnou kuličku do prostoru mezi dvěma deskami. Kulička se začne odrážet a za určitých podmínek může dokonce vyskočit nazpátek k vám. Prozkoumejte pohyb kuličky a parametry, které ho ovlivňují, včetně orientace desek.

5. Ultrahydrofobní voda

Umístěte nádobu s mýdlovou vodou na reproduktor nebo jiný zdroj vibrací. Během oscilací je možné udržet malé kapky na jejím povrchu po dlouhou dobu. Vysvětlete a prozkoumejte tento jev.

6. Elektrická plástev

Umístěte ocelovou jehlu svisle nad vodorovnou metaloidní desku. Nalejte na desku trochu oleje. Přiložíte-li konstantní vysoké elektrické napětí mezi jehlu a desku, pak se na povrchu kapaliny objeví voštinová struktura. Vysvětlete a prozkoumejte tento jev.

7. Horkovodní fontána

Naplňte částečně Mohrovu pipetu horkou vodou. Zakryjte horní konec pipety palcem. Obraťte pipetu špičku nahoru a pozorujte fontánu, která z ní tryská. Prozkoumejte parametry popisující výšku fontány a optimalizujte je tak, abyste dosáhli maximální výšku.

8. Magnetický vlak

Knoflíkové magnety jsou připevněny k oběma koncům malé válcové baterie. Když takový „vlak“ vložíme do měděné cívky tak, aby s ní magnety byly v kontaktu, začne se „vlak“ pohybovat. Vysvětlete jev a prozkoumejte, jak příslušné parametry ovlivňují rychlost a výkon vlaku.

9. Vodní vlny

Generujte vlny na vodě pomocí svisle kmitajícího horizontálního válce. Když měníte budící frekvenci a/nebo amplitudu, voda se zdá být unášena od válce nebo k válci. Prozkoumejte tento jev.

10. Světelné prstence

Nechte dopadat proud kapaliny na povrch. Když je bod dopadu osvětlen laserovým svazkem, lze kolem proudu pozorovat světelné prstence (viz obrázek). Prozkoumejte světelné prstence a určete, jak závisejí na příslušných parametrech celého systému.

11. Valení po disku

Položíte-li lehký valivý předmět (např. prstenec, disk nebo kouli) na rotující vodorovný disk, může se po něm začít pohybovat, aniž je z disku vypuzen. Vysvětlete, jak různé druhy pohybu závisejí na příslušných parametrech.

12. Van der Pauwova metoda

Je známo, že vodivost materiálu je možné měřit nezávisle na tvaru vzorku, pokud má vzorek jedinou hranici (je bez děr). Za jakých podmínek může být tato metoda použita? Prozkoumejte a vysvětlete taková měření v případě, kdy vzorek má díry.

13. Papírový svěrák

Vezměte dvě podobné brožované knihy a proložte jejich stránky vždy po několika mezi sebou. Stlačte knihy k sobě. Vezměte obě knihy za hřbety a snažte se je oddělit. Prozkoumejte parametry určující meze pro možnost oddělení knih.

14. Citlivý plamen

Hořlavý plyn (např. propan) proudí vertikálně z jemné trysky a pak jemnou kovovou síťkou ve vzdálenosti asi 5 cm. Plyn je zapálen a vytváří plamen nad síťkou. Za určitých podmínek plamen velice citlivě reaguje na zvuk. Prozkoumejte tento jev a příslušné parametry.

15. Bezkontaktní měřidlo

Vynalezněte a sestrojte optické zařízení, které využívá laserové ukazovátko a umožňuje bezkontaktní měření tloušťky, indexu lomu a dalších vlastností skleněné desky.

16. Víry od Frisbee

Je-li svisle orientovaná deska částečně ponořena do vody a tažena ve směru kolmém k desce, vytváří se na povrchu vody pár vírů. Za určitých podmínek se tyto víry pohybují podél povrchu na velkou vzdálenost. Prozkoumejte parametry ovlivňující pohyb a stabilitu těchto vírů.

17. Bláznivý kufr

Když táhneme kufr po dvou kolečkách, může se za určitých okolností rozkývat tak silně, že se může převrátit. Prozkoumejte tento jev. Můžeme tento jev potlačit nebo zesílit změnou uložení věcí v zavazadle?

Doporučujeme nahlédnout do materiálů Ilyji Martchenko a kol. na adrese http://kit.ilyam.org/, kde jsou k dispozici podrobnější informace k jednotlivým úlohám i návody k jejich řešení (v angličtině). Upozorňujeme, že se nejedná o oficiální materiály IYPT, a že kompilace těchto materiálů také nemůže nahradit vlastní řešení.

Připomínáme, že je dobrým mravem uvádět odkazy na cizí práce, z nichž čerpáme. Použití cizí práce bez odpovídající citace je penalizováno! Hodnocení úloh Turnaje je zaměřeno zejména na dosažené vlastní výsledky.

Verze pro tisk

• Oficiální zadání: Problems2016.pdf
• Český překlad: Problems2016_CZ.pdf

Archiv

Archiv zadání Mezinárodního turnaje mladých fyziků se nachází na adrese http://archive.iypt.org/problems/