Rázostroj

Rázostroj neboli Newtonova houpačka je zařízení k názorné demonstraci srážek a zákonů zachování energie a hybnosti. Základem konstrukce je několik koulí umístěných na závěsu bezprostředně vedle sebe. Pro odstranění boční výchylky je závěs dvojitý. Často se rázostroj také využívá jako zajímavý doplněk kanceláře nebo pracovny.

Jde o řadu kyvadel na dvojitém závěsu. Jako závaží těchto kyvadel se používají pravidelné koule (stejně velké a hmotné). Materiálem těchto závaží bývá kov, někdy také sklo nebo dřevo. Důraz je ovšem kladen především na tvrdost.

Na rázostroji se pozorují jevy související s výměnou kinetické energie a hybnosti a to konkrétně při kolizi jednotlivých koulí. Materiál musí být tvrdý, aby docházelo pokud možno k ideálně pružným srážkám – energie se při srážce nesmí přeměňovat v teplo ani v deformační energii. Žádný rázostroj ve skutečnosti nepracuje beze ztráty (viz perpetuum mobile), ovšem může být v chodu velmi dlouhou dobu. Jedná se o téměř dokonale izolovanou soustavu, neboť při pohybu koulí je zanedbatelný odpor vzduchu i práce potřebná k ohnutí (deformaci) nití nebo vlasců, na kterých jsou koule zavěšeny.

Základním pokusem je ukázka zákona zachování hybnosti – jedno z krajních kyvadel je vychýleno a po uvolnění dojde k pohybu a srážce závaží. Hybnost je z jednoho dotýkajícího se závaží přenášena na druhé a až u posledního dojde k výkyvu. Ostatní zúčastněné koule zůstanou bez pohnutí na svých místech.

Vysvětlení: Z druhého Newtonova zákona vyplývá, že hybnost izolované soustavy (rázostroje) zůstává v čase konstantní. Celková hybnost v okamžiku první srážky se rovná m.v (m – hmotnost pohybující se koule, v – rychlost pohybující s koule). Hybnost se přenese přes dotýkající se koule a poslední kouli, která má stejnou hmotnost jako první, je rychlostí v vymrštěna pryč.

Dalším pokusem je vychýlení dvou a více krajních závaží najednou. Při uvažování pouze zákona zachování hybnosti by se dalo očekávat, že poslední koule bude vymrštěna dvojnásobnou rychlostí (${\displaystyle (2m)v=m(2v)}$). K tomu ovšem nedojde a místo toho jsou vychýlena dvě krajní kyvadla.

Vysvětlení: Kromě zákona zachování hybnosti platí i zákon zachování energie izolované soustavy. V okamžiku srážky především energie kinetické, která se rovná ${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}}$.

Oba zákony zachování musí platit vždy a tedy při vychýlení dvou kyvadel:

${\displaystyle 2mv=MV}$,

${\displaystyle {\frac {1}{2}}2mv^{2}={\frac {1}{2}}MV^{2}}$,

kde M je neznámá hmotnost, která by měla být odmrštěna a V rychlost tohoto odmrštění.

Z uvedené soustavy dvou rovnic plyne řešení:

${\displaystyle V=v}$

${\displaystyle M=2m}$

Původní idea pochází od francouzského fyzika Edme Mariotta (1676). Rázostroj byl dlouho oblíbený především jako dětská hračka a v současnosti je možné ho sehnat jako zajímavou dekoraci.

Kromě lineárně řazených závaží existují i složitější rázostroje plošné a například i kulečník je typickým představitelem tohoto typu zařízení – zde ovšem do hry vstupují i vektory.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Rázostroj na Wikimedia Commons
• Srážky a rotace, Rázostroj: https://web.archive.org/web/20070108010341/http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/sr_rot/kap9.htm
• Videopokusy, Rázostroj: http://kdfls1.troja.mff.cuni.cz/…
• Newtonova houpačka (Java): https://web.archive.org/web/20070715145500/http://www.walter-fendt.de/ph14cz/ncradle_cz.htm