Turnaj mladých fyziků – zadání úloh pro školní rok 2012/2013 (26. ročník soutěže)

1. Invent yourself

It is more difficult to bend a paper sheet, if it is folded “accordion style” or rolled into a tube. Using a single A4 sheet and a small amount of glue, if required, construct a bridge spanning a gap of 280 mm. Introduce parameters to describe the strength of your bridge, and optimise some or all of them.

2. Elastic space

The dynamics and apparent interactions of massive balls rolling on a stretched horizontal membrane are often used to illustrate gravitation. Investigate the system further. Is it possible to define and measure the apparent “gravitational constant” in such a “world”?

3. Bouncing ball

If you hold a Ping-Pong ball above the ground and release it, it bounces. The nature of the collision changes if the ball contains liquid. Investigate how the nature of the collision depends on the amount of liquid inside the ball and other relevant parameters.

4. Soliton

A chain of similar pendula is mounted equidistantly along a horizontal axis, with adjacent pendula being connected with light strings. Each pendulum can rotate about the axis but can not move sideways (see figure). Investigate the propagation of a deflection along such a chain. What is the speed for a solitary wave, when each pendulum undergoes an entire 360º revolution?

5. Levitation

A light ball (e.g. a Ping-Pong ball) can be supported on an upward airstream. The airstream can be tilted yet still support the ball. Investigate the effect and optimise the system to produce the maximum angle of tilt that results in a stable ball position.

6. Coloured plastic

In bright light, a transparent plastic object (e.g. a blank CD case) can sometimes shine in various colours (see figure). Study and explain the phenomenon. Ascertain if one also sees the colours when various light sources are used.
jar rays.png

7. Hearing light

Coat one half of the inside of a jar with a layer of soot and drill a hole in its cover (see figure). When light from a light bulb connected to AC hits the jar’s black wall, a distinct sound can be heard. Explain and investigate the phenomenon.

8. Jet and film

A thin liquid jet impacts on a soap film (see figure). Depending on relevant parameters, the jet can either penetrate through the film or merge with it, producing interesting shapes. Explain and investigate this interaction and the resulting shapes.

9. Carbon microphone

For many years, a design of microphone has involved the use of carbon granules. Varying pressure on the granules produced by incident sound waves produces an electrical output signal. Investigate the components of such a device and determine its characteristics.

10. Water rise

Fill a saucer up with water and place a candle vertically in the middle of the saucer. The candle is lit and then covered by a transparent beaker. Investigate and explain the further phenomenon.

11. Ball bearing motor

A device called a “Ball Bearing Motor” uses electrical energy to create rotational motion. On what parameters do the motor efficiency and the velocity of the rotation depend? (Take care when working with high currents!)

12. Helmholtz carousel

Attach Christmas tree balls on a low friction mounting (carousel) such that the hole in each ball points in a tangential direction. If you expose this arrangement to sound of a suitable frequency and intensity, the carousel starts to rotate. Explain this phenomenon and investigate the parameters that result in the maximum rotation speed of the carousel.

13. Honey coils

A thin, downward flow of viscous liquid, such as honey, often turns itself into circular coils. Study and explain this phenomenon.

14. Flying chimney

Make a hollow cylindrical tube from light paper (e.g. from an empty tea bag). When the top end of the cylinder is lit, it takes off. Explain the phenomenon and investigate the parameters that influence the lift-off and dynamics of the cylinder.

15. Meniscus optics

Cut a narrow slit in a thin sheet of opaque material. Immerse the sheet in a liquid such as water. After removing the sheet from the liquid, you will see a liquid film in the slit. Illuminate the slit and study the resulting pattern.

16. Hoops

An elastic hoop is pressed against a hard surface and then suddenly released. The hoop can jump high in the air. Investigate how the height of the jump depends on the relevant parameters.

17. Fire hose

Consider a hose with a water jet coming from its nozzle. Release the hose and observe its subsequent motion. Determine the parameters that affect this motion.

Překlad zadání do češtiny

1. Vynalezněte sami

Ohnout list papíru je těžší, je-li poskládaný jako „harmonika“ nebo stočený do trubičky. Použijte list papíru formátu A4, případně malé množství lepidla a postavte most přes mezeru širokou 280 mm. Zaveďte parametry popisující pevnost vašeho mostu a některé z nich, případně všechny, optimalizujte.

2. Pružný prostor

Dynamika a zdánlivé vzájemné působení těžkých kuliček kutálejících se po napjaté vodorovné membráně se často využívá k ilustraci gravitačního působení. Prozkoumejte hlouběji takovýto systém. Je v tomto „světě“ možné definovat a změřit zdánlivou „gravitační konstantu“?

3. Odskakující míček

Držíte-li ping-pongový míček nad zemí a pustíte jej, odrazí se. Charakter srážky se změní, pokud míček obsahuje kapalinu. Prozkoumejte, jak závisí charakter srážky na množství kapaliny uvnitř míčku a na dalších významných parametrech.

4. Soliton

Řetězec stejných kyvadel je ekvidistantně připevněn k vodorovné ose, přičemž každá dvě sousedící kyvadla jsou spojena lehkým vláknem. Každé kyvadlo se může otáčet kolem osy, ale nemůže se pohybovat do strany (viz obrázek). Prozkoumejte šíření výchylky podél takového řetězce. Jakou rychlost má solitární vlna, při níž se každé kyvadlo otočí o plných 360°?

5. Levitace

Lehký míček (např. ping-pongový) lze nadnášet vzhůru proudícím vzduchem. Proud vzduchu může být nakloněn, přesto míček udrží. Zkoumejte tento jev a optimalizujte systém tak, aby úhel sklonu, při němž poloha míčku zůstává ustálená, byl co největší.

6. Barvy na plastu

V bílém světle může průhledný plastový předmět (např. prázdný obal od CD) hrát různými barvami (viz obrázek). Prostudujte a vysvětlete tento jev. Vyjasněte, zda lze vidět barvy i při použití různých světelných zdrojů.

7. Slyšet světlo

Pokryjte tenkou vrstvou sazí polovinu vnitřku zavařovací sklenice a ve víku vyvrtejte otvor (viz obrázek). Posvítíte-li na černou stěnu žárovkou připojenou ke střídavému napětí, bude slyšet zřetelný zvuk. Vysvětlete a prozkoumejte tento jev.

8. Proud kapaliny a blána

Tenký proud kapaliny dopadá na mýdlovou blanku (viz obrázek). V závislosti na příslušných parametrech proud buď projde blankou, nebo se s ní slévá a přitom vytváří zajímavé obrazce. Vysvětlete a prozkoumejte tuto interakci a výsledné obrazce.

9. Uhlíkový mikrofon

Po řadu let se pro konstrukci mikrofonu užívalo uhlíkových granulí (zrnek). Měnící se tlak dopadajících zvukových vln působí na uhlíková zrnka a tím se vytváří elektrický výstupní signál. Prozkoumejte součásti takového zařízení a určete jeho vlastnosti.

10. Vzestup vodní hladiny

Naplňte talířek (podšálek) vodou a do jeho prostředku umístěte svisle svíčku. Zapalte svíčku a přikryjte ji průhlednou nádobkou. Zkoumejte a vysvětlete jev, který pak následuje.

11. “Ball Bearing Motor”

Zařízení zvané “Ball Bearing Motor” (kuličkové ložisko jako motor) využívá elektrickou energii k vyvolání otáčivého pohybu. Na jakých parametrech závisí účinnost motoru a rychlost jeho rotace? (Buďte opatrní při práci s vysokými proudy!)

12. Helmholtzův kolotoč

Připevněte vánoční koule na objímku (kolotoč) s nízkým třením tak, aby otvor každé koule směřoval v tečném směru. Pokud toto uspořádání vystavíte zvuku vhodné frekvence a intenzity, kolotoč se začne otáčet. Vysvětlete tento jev a prozkoumejte parametry, které vedou k maximální rychlosti otáčení kolotoče.

13. Medové smyčky

Tenký stékající pramínek viskózní kapaliny, jako např. med, se často sám stáčí do kruhových smyček. Studujte a vysvětlete tento jev.

14. Létající komín

Vytvořte z lehkého papíru (např. z prázdného sáčku od čaje) válcovou trubici. Pokud zapálíte horní konec trubice, vzlétne. Vysvětlete tento jev a prozkoumejte parametry, které ovlivňují vzlet a dynamiku trubice.

15. Optika menisku

Vyřízněte úzkou štěrbinu v tenkém listu z neprůsvitného materiálu. Ponořte list do kapaliny, např. do vody. Po vyjmutí listu z kapaliny uvidíte ve štěrbině vrstvičku kapaliny (film). Osvětlete štěrbinu a prostudujte výsledný obrazec.

16. Obruče

Elastická obruč je přitlačena na pevnou podložku a pak náhle uvolněna. Obruč může vyskočit vysoko do vzduchu. Prozkoumejte, jak závisí výška výskoku na relevantních parametrech.

17. Požární hadice

Uvažujte hadici, z jejíž trysky stříká voda. Uvolněte hadici a pozorujte, jak se bude následně pohybovat. Určete parametry, které ovlivňují tento pohyb.

Obrázky:

• "Soliton" © 2012 Andrei Klishin
• "Coloured plastic" © 2012 Evgeny Oleinik
• "Hearing light" © 2012 Kathryn Zealand, QOTU
• "Jet and film" © 2012 Stanisłaŭ Piatruša

Verze pro tisk

• Oficiální zadání: Problems2013.pdf
• Český překlad: Problems2013cz.pdf