Czy zastanawialiście się dlaczego blacha na dachach jest pofalowana lub kartony tekturowe do pakowania mają budowę falistą? Albo dlaczego butelki typu pet nigdy nie są proste i gładkie? Jak z dzieckiem zrobić most z papieru? Dzisiaj postaram się odpowiedzieć na te pytania.

Dzisiaj poznamy kolejną tajemnicę fizyki jaką jest siła nacisku na powierzchnię, a wytrzymałość tej powierzchni w zależności od jej kształtu.

Potrzebne przedmioty do zbudowania papierowego mostu:

• 3 takie same szklanki (kubki lub słoiki)
• kartka papieru A4

Jak zbudować papierowy most i wykonać eksperyment?

Na dwa kubki postawione koło siebie połóżmy kartkę papieru A4, jako papierowy most na dwóch przęsłach. Na kartce połóżmy trzeci kubek. Jak łatwo się domyślić taki papierowy most od razu zawali się. Jednak zupełnie inaczej zachowa się ta sama kartka papieru kiedy poskładamy ją w harmonijkę. Harmonijka, która przypomina wachlarz, powinna być dość gęsto złożona. Kiedy położymy kubek na tak poskładaną kartkę okazuje się, że teraz nasz papierowy most potrafi utrzymać kubek.

Siła nacisku – dlaczego most z papieru nie zawalił się?

Na obciążoną, płaską powierzchnię, jaką jest zwykła kartka papieru położona na kubkach, działają dwie siły nacisku. Siły te rozchodzą się wzdłuż i wszerz kartki w płaszczyźnie poziomej. Na poskładanym papierze w gęstą harmonijkę pojawia się jeszcze kolejna, trzecia płaszczyzna, pionowa, po której rozchodzi się siła nacisku kubka na most. Dzięki tym zagięciom możemy uzyskać większą stabilność i sztywność papieru.

Takie pofalowanie płaszczyzny sprawia, że siła nacisku kubka działająca na nią rozkłada się na wiele ukośnych ścianek. Dzięki temu siła nacisku nie jest skupiona w jednym miejscu jak na płaskiej powierzchni. Pionowe ścianki mają dużo większą wytrzymałość na obciążenie (na siły nacisku i rozciągania) niż płaska powierzchnia.

Do czego jest potrzebna pofalowana lub pozaginana powierzchnia?

Takie zjawisko wykorzystuje się w przemyśle podnosząc stabilność i wytrzymałość wszelkiego rodzaju blach i płyt. Przykładem takim może być blacha falista, którą kładzie się na dachach lub buduje się z niej garaże czy hale. Innym przykładem jest tektura falista wykorzystywana m.in. do pakowania towarów. Uzyskana przez falowanie znacznie większa sztywność i stabilność materiału chroni towar przed zniszczeniem, gdyż siły zewnętrzne działające na nie rozkładają się na większą powierzchnię.

Tak samo jest z butelkami plastikowymi typu pet np. z wodą mineralną. Ich ścianki nie są proste i gładkie, tylko mają wiele zagięć. Sama butelka też nie jest prosta tylko ma kształt wklęsło-wypukły. Spróbujcie pić wodę z butelki 1,5 litrowej płaskiej lub słabo pozakrzywianej (czasem można taką znaleźć) i z mocno pofalowanej. Ta pierwsza, przy pochyleniu, zacznie się w ręce wyginać i załamywać pod ciężarem wody.

Co jeszcze zyskujemy dzięki pofalowanej powierzchni?

Dzięki takiej pofalowanej budowie można również zaoszczędzić na materiale, z którego budujemy np. blachę na dach. Aby zbudować prostą, nie pofalowaną, odpowiednio wytrzymałą strukturę należałoby zrobić ją z dużo grubszego materiału. Co wiąże się z kosztami tego materiału.

Dodatkowo oszczędzamy na wadze produktu. Dachy, dzięki pofalowanemu kształtowi są dużo lżejsze. Tak samo jak butelki.

Tutaj można zobaczyć inne przykłady doświadczeń z fizyki dla dzieci.

P.S.
Trzeba jeszcze dodać, że pokazane na filmie i opisane pofalowania, zagięcia, muszą biegnąć od jednego kubka do drugiego. Jeżeli ułożylibyśmy kartkę odwrotnie, tzn. tak, żeby linie zagięć nie łączyły obu kubków, to papierowy most zawali się. Most z papieru zawali się również jeżeli złożymy kartkę w taką samą harmonijkę ale zagięcia będą wzdłuż krótszego boku karki i nie będą łączyć obu kubków.
Życzę przyjemnej zabawy.