ΤΡΟΧΟΣ ΤΟΥ MAXWELL (Μηχανική)

ΤΡΟΧΟΣ ΤΟΥ MAXWELL (Μηχανική)

Διαδικασία:

  • Στρέφουμε με προσοχή τον τροχό γύρω από τον άξονά του, έτσι ώστε να τυλιχθεί το νήμα ομοιόμορφα από τις δύο πλευρές του δίσκου, μέχρι να ανεβεί στη κορυφή της συσκευής. (Προσέχουμε ώστε ο άξονας του τροχού να είναι σε οριζόντια θέση)
  • Αφήνουμε τον τροχό. Παρατηρούμε ότι ο τροχός ξετυλίγεται από το νήμα και αρχίζει να αναπτύσσει ταχύτητα.
  • Όταν ο τροχός φτάσει στο κατώτερο σημείο της συσκευής παρατηρούμε ότι αρχίζει να ξανατυλίγεται γύρω από το σχοινί.
maxwell

Τροχός του Maxwell

Τι συμβαίνει;

Ο τροχός του Maxwell μας δίνει ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μετατροπής ενεργειών. Όταν έχουμε τυλίξει το νήμα γύρω από τον τροχό και αυτός βρίσκεται στην κορυφή της συσκευής μας τότε ο τροχός μας έχει δυναμική ενέργεια ίση με mgh. Όταν αφήνουμε τον τροχό η δυναμική του ενέργεια αρχίζει να μειώνεται ενώ η κινητική του αυξάνεται. Εκτός από την κατακόρυφη ευθύγραμμη κίνηση που έχει εξαιτίας της πτώσης του ο τροχός εκτελεί και μια περιστροφική κίνηση λόγω του ξετυλίγματος των νημάτων. Η περιστροφική αυτή κίνηση γίνεται ολοένα και ταχύτερη καθώς ο τροχός πέφτει.
Σε οποιαδήποτε ενδιάμεση θέση το άθροισμα της δυναμικής και της κινητικής (ευθύγραμμης και περιστροφικής) του ενέργειας είναι σχεδόν ίσο με την αρχική δυναμική ενέργεια.

Στο κατώτερο σημείο του ο τροχός πλέον έχει μόνο κινητική ενέργεια ενώ η δυναμική του ενέργεια έχει κατά σύμβαση μηδενιστεί.
Στο σημείο αυτό ο τροχός συνεχίζει να περιστρέφεται κατά την ίδια φορά, λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής που διαθέτει με αποτέλεσμα τα νήματα να αρχίσουν να τυλίγονται ξανά στον άξονα κι έτσι αρχίζει να ανεβαίνει πάλι. Η ευθύγραμμη κίνηση του τροχού αλλάζει φορά σαν αποτέλεσμα του τεντώματος των σχοινιών. Στο σημείο αυτό μπορούμε να πούμε ότι ο τροχός υπόκειται σε μια «κρούση».
Όσο ο τροχός ανεβαίνει η ταχύτητα περιστροφής μειώνεται κι έτσι μικραίνει και η κινητική του ενέργεια ενώ αυξάνεται αντίθετα η δυναμική. Όταν ο τροχός ξαναφθάσει στο ανώτερο σημείο, αποκτά πάλι μόνο δυναμική ενέργεια, όχι όμως όση και η αρχική. Αυτό συμβαίνει διότι ένα μέρος της ενέργειας μετατράπηκε σε θερμική, λόγω τριβών και ένα μέρος καταναλώθηκε στην διαδικασία της «κρούσης» στο κατώτερο σημείο η οποία μόνο προσεγγιστικά μπορεί να θεωρηθεί ελαστική. Έτσι δεν θα φτάσει ποτέ στο αρχικό ύψος, με αποτέλεσμα μετά από πολλές επαναλήψεις να σταματήσει.